JPH1154095A - 電池およびその製造方法 - Google Patents
電池およびその製造方法Info
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Abstract
エネルギー密度を向上し、併せて電池の品質信頼性およ
び安全性を満足する電池を提供する。 【解決手段】 発電要素を金属外装缶に収納した電池で
あって、前記金属外装缶1が円筒形、角形、あるいはそ
れに類似の形状を有する底厚(TA)/側厚(TB)が1.
5〜7.0の値を有す有底金属缶であり、該金属外装缶
1が鉄を主体とし、少なくとも電池内面側にはニッケル
層が配されたものであり、かつそのニッケル層の表面に
は無数の浅い底面に垂直な溝が形成されていることを特
徴とする。また、少なくとも一方の面にニッケル層を形
成した鉄系金属板を有底筒状に絞り成形し、前記有底筒
状に成形された缶の側部をシゴキ率が20〜90%の範
囲になるように連続的にシゴキ加工しつつ、その電池内
面側に設けたニッケル層に無数の浅い縦溝を形成した円
筒形、角形、あるいはそれに類似の形状を有する底厚
(TA)/側厚(TB)が1.5〜7.0の値を有す金属外
装缶1を作製し、これを用いて電池とする。
Description
などの電池に関するものであり、特に円筒形や角形の電
池の金属外装缶の改良に関するものである。
い,小型の一次電池および二次電池の需要が高まってい
る。一次電池としては、マンガン乾電池やアルカリマン
ガン乾電池、それにリチウム電池を主体にそれぞれの用
途に応じて多用されている。また、二次電池としては、
これまでアルカリ水溶液を電解液として用いるアルカリ
蓄電池であるニッケル・カドミウム蓄電池、さらには水
素吸蔵合金を負極に用いたニッケル・水素蓄電池が多く
用いられてきたが、最近ではより軽量を特徴とする有機
電解液のリチウムイオン二次電池が急激に市場に進出し
てきた。
中心に、電池形状も従来からの代表的形状であった円筒
形、コイン形に加え、近年では角形が増え始め、最近で
はさらにペーパー状の薄形電池も登場しつつある状況で
ある。
近の重要な傾向として、電池の高エネルギー密度化があ
る。電池のエネルギー密度には大きく二つの示し方があ
る。その一つは体積エネルギー密度(Wh/l)で、こ
れは電池の小型化の指標として用いられる。もう一つは
重量エネルギー密度(Wh/kg)で、これは電池の軽
量化の指標として用いられる。
ネルギー密度(Wh/l)や重量エネルギー密度の高い
電池が市場からの要望で重要視され、各電池系共に電池
のエネルギー密度の競争が熾烈である。
は、発電要素を構成する正極や負極の電池活物質が中心
であるが、その他に電解質やセパレータも重要であり、
現在これらの電池の高エネルギー密度化のための改良が
非常に活発に行われている。
ケース、すなわち電池の金属外装缶の小型化、軽量化も
従来見落としがちであったが、近年重要な問題として見
直され、積極的な改善が図られている状況にある。
と同一形状で薄肉にした部分に、より多くの電池活物質
を収容することが可能となり、電池全体での体積エネル
ギー密度を向上することができる。また、電池の外装缶
をより比重の軽い軽量な材料にできれば従来と同一形状
で軽量化にした事により、電池全体の重量が低減でき、
電池全体での重量エネルギー密度を向上することができ
る。
しては、プレス機による深絞り工程を複数工程繰り返す
ことにより所定形状の電池缶を製作する工法(以下「ト
ランスファー絞り工法」と称す。)が主流であった。し
かし、より電池缶の薄肉化が可能で体積エネルギー密度
を向上する電池外装缶の特筆すべき技術として、またよ
り生産性の向上した技術としてDI工法が注目されてい
る。すなわち、従来電池缶を作製するのに絞り加工が主
として用いられていたが、DI(drawingとir
oning)工法によって、絞りとしごきの両方を用い
ることが効果的である(特公平7−99686号公報参
照)。
公報などで知られているように、プレス機による深絞り
工程によってカップ状中間製品を製作した後、シゴキ機
によるシゴキ工程によって前記カップ状中間製品から一
工程で連続的な所定形状の有底円筒形の電池缶を製作す
る方法であり、「トランスファー絞り工法」に比較し、
工程数の削減による生産性の向上、缶側周壁の肉厚減少
による軽量化及び容量アップ、応力腐食の低減等の長所
があり、その利用率が高まってきている。そして従来
は、上記製造方法において、電池缶の耐圧強度や封口部
の強度を確保するため、電池缶素材として比較的高硬度
のニッケルメッキ鋼板が用いられていた。このDI工法
の採用により金属外装缶の薄肉化が図られ、電池として
2〜5%程度の体積エネルギー密度の向上が図られてき
た。
池で全電池重量中の金属外装缶の占める重量比率として
は、電池サイズや使用材料、電池缶の製造法などにより
ややバラツキがあるが、円筒形のニッケル・水素蓄電池
やリチウムイオン二次電池では10〜20wt%程度で
あり、角形のニッケル・水素蓄電池やリチウムイオン二
次電池ではこれが30〜40wt%程度と約円筒形の二
倍の値を有していた。特に角形については電池缶の耐圧
強度の確保が難しいという理由で高い値となっていた。
属外装缶の小型化、軽量化の動きは以上のような電池の
エネルギー密度の向上に対して有効であるが、一方で電
池は、充電、放電あるいは放置などの実際使用において
エネルギー密度と共に重要で無視できない性能として品
質の信頼性および安全性がある。放電専用の一次電池に
おいては、長期保存での容量確保や漏液防止、安定した
放電特性などの品質の信頼性が不可欠である。充放電を
繰り返す二次電池においては、一次電池で要求される特
性に加えてサイクル寿命や安全性などの性能がさらに重
要である。
ネルギー密度化と品質信頼性および安全性の両方を満足
することが非常に困難な状況にあった。すなわち、電池
の金属外装缶に関して高エネルギー密度化を図ろうとす
ると、電池の変形や異常事態には割れを生じて電解液が
漏液するなどのトラブルを伴うことが多かった。一方、
堅牢な金属外装缶にすると高エネルギー密度化を犠牲に
することが多く、この二つのトレードオフの関係を改善
する効果的な方法は見あたらなかった。
とシゴキによるDI工法による方法が薄肉で軽量な電池
の高エネルギー密度化と電池の品質信頼性および安全性
の両方を比較的満足する優れた方法であったが、これに
関してもさらなる性能向上および品質信頼性および安全
性の改善が求められていた。
二次電池の市場における電池の小型化、軽量化の要望は
強く、より利便性を求められている。一方ではこれらの
電池の品質信頼性および安全性は必要不可欠であり、従
来は電池の小型化、軽量化を可能とする電池のエネルギ
ー密度向上と電池の品質信頼性および安全性の両方を満
足することが不十分であった。
とシゴキによる円筒形電池に用いられたDI工法による
方法を使用しても極限の小型化、軽量化を図ろうとする
と、金属外装缶の腐食や割れなどの不良を伴うことがあ
り、十分なものではなかった。さらに角形の電池におい
ては従来は絞り缶で作製されており、電池の金属外装缶
の小型化、軽量化に問題を有していた。
で、一次電池、二次電池に使用する円筒形や角形あるい
はそれに類似した形状の金属外装缶の小型化、軽量化を
図り電池としてのエネルギー密度を向上し、併せて電池
の品質信頼性および安全性を満足する電池を提供するこ
とを目的とする。
素材が鉄を主体とし、少なくともその電池内面側にはニ
ッケル層が配された電池およびその電池の製造方法であ
る。より具体的には、発電要素を金属外装缶に収納した
電池であって、前記金属外装缶が円筒形、角形、あるい
はそれに類似の形状を有する底厚/側厚が1.5〜7.
0の値を有す有底金属缶であり、該金属外装缶が鉄を主
体とし、少なくともその電池内面側にはニッケル層が配
されたものであり、かつそのニッケル層の表面には無数
の浅い底面に垂直な溝が形成されていることを特徴とす
る電池である。
方の面にニッケル層を形成した鉄系金属板を有底筒状に
絞り成形し、前記有底筒状に成形された缶の側部をシゴ
キ率(但しシゴキ率(%)は次の定義とする。シゴキ率
(%)=(元の厚み−シゴキ後の厚み)×100/元の
厚み)が20〜90%の範囲になるように一工程で連続
的にシゴキ加工(DI加工)しつつ、そのニッケル層に
無数の浅い縦溝を形成した円筒形、角形、あるいはそれ
に類似の形状を有する底厚/側厚が1.5〜7.0の値
を有す金属外装缶を作製し、これを用いて電池とする電
池の製造方法である。
の発明は,発電要素を金属外装缶に収納した電池であっ
て、前記金属外装缶が円筒形、角形、あるいはそれに類
似の形状を有する底厚/側厚が1.5〜7.0の値を有
す有底金属缶であり、該金属外装缶が鉄を主体とし、少
なくとも電池内面側にはニッケル層が配されたものであ
り、かつそのニッケル層の表面には無数の浅い底面に垂
直な溝が形成されていることを特徴とした電池である。
0の値を有す金属外装缶であることが望ましい。さらに
好ましくは、ニッケル層が20μm以下でニッケル層に
形成される無数の浅い底面に垂直な溝の深さは0.5μ
m以上で該ニッケル層の厚さ未満であること、鉄を主体
とする金属材料が炭素(C)を0.1wt%以下含む冷
間圧延用の炭素鋼であり、好ましくはチタン(Ti)、
ニオブ(Nb)の少なくとも一種を0.1wt%以下含
有する炭素鋼であることが金属外装缶加工上特に有効で
ある。
れる電池は、従来の電池と比較して、次のような特徴を
有すことができる。
主体とする金属材料の少なくとも電池内面側にはニッケ
ル層が配されたものであり、かつそのニッケル層の表面
には無数の浅い底面に垂直な溝が形成されていることに
より、(1)無数の浅い底面に垂直な溝の形成により電
池内に収納する発電要素との接触抵抗を著しく低減でき
る効果を生むこと、(2)無数の浅い底面に垂直な溝の
形成がニッケル層に形成されているため鉄を主体とする
層が直接発電要素と接触しない構造が実現でき、いずれ
の電池系に適応しても極めて耐食性にすぐれること、の
特徴を付加できる。なお、これに加えて(1),(2)
の効果から得られる結果に基づき従来にないDI加工に
よる高いシゴキ率を実現できる効果も新たに付加でき
る。これにより、円筒形、角形、あるいはそれに類似の
形状を有する電池で、底厚/側厚が1.5〜7.0の値
を有す金属外装缶を提供することが可能となる。従来、
円筒形電池においては底厚/側厚をこれに類似の値にし
たものが一部見受けられるが、本発明により電池の品質
信頼性および安全性を格段に向上する効果が得られ、底
厚/側厚についても従来以上に高い値とすることができ
る。
有する電池においては、従来DI加工による高いシゴキ
率を実現した電池は得られなかったが、本発明により初
めて角形、あるいはそれに類似の形状を有する電池にお
いても底厚/側厚が1.5〜7.0の値を有す金属外装
缶を提供することが可能となる。
金属外装缶にすることにより、使用前の素材の鉄を主体
とする金属材料のヴィッカース硬度を示すHV値が、金
属外装缶成形後の金属外装缶の側壁部のHV値として
1.5倍以上の値を有すというものであり、金属外装缶
の加工硬化値を限定している。
側壁部の肉厚に関し、電池封口部周辺の側厚が他の部分
の側厚よりも少なくとも10%以上厚いことを特徴とす
るものである。これは、電池を使用する場合、電池内の
圧力が上昇して耐圧強度的に一番の弱点が電池封口部周
辺にあることに起因する。したがって、耐圧的に弱い電
池封口部周辺の側厚を他の部分の側厚よりも少なくとも
10%以上厚くしたことにより密閉強度を維持すること
が可能となる。金属外装缶が特に外径が35mmΦ以下
の円筒状においては、金属缶の側壁部の肉厚に関し、電
池封口部周辺の側厚が他の部分の側厚よりも少なくとも
30%以上厚くしていることによって、本発明の効果を
一層強調することが可能となる。
駆使することにより、金属外装缶の側壁部の厚みを従来
にない0.05〜0.15mmの範囲にまで低減し、一
層の電池の高エネルギー密度化を実現できる。
を金属外装缶に収納した電池であって、前記金属外装缶
が角形、あるいはそれに類似の形状を有する底厚/側厚
が1.5〜7.0の値を有す有底金属缶であり、該金属
外装缶が鉄を主体とし、少なくともその電池内面側には
ニッケル層が配されたものであり、かつそのニッケル層
の表面には無数の浅い底面に垂直な溝が形成されてお
り、該金属缶の縦切断面、横切断面における少なくとも
電池内面側のコーナー部が半径0.5mm以下の曲率形
状であることを特徴とする電池である。このことによ
り、電池缶の底厚/側厚の値を上げても、すなわち薄肉
化を図っても電池内の耐圧強度を維持することが可能に
なる。
は,少なくとも一方の面にニッケル層を形成した鉄系金
属板を有底筒状に絞り成形し、前記有底筒状に成形され
た缶の側部をシゴキ率が20〜90%の範囲になるよう
に連続的にシゴキ加工しつつ、その電池内面側に設けた
ニッケル層に無数の浅い縦溝を形成した円筒形、角形、
あるいはそれに類似の形状を有する底厚/側厚が1.5
〜7.0の値を有す金属外装缶を作製し、これを用いて
電池とする電池の製造方法である。そしてより好ましく
はそのシゴキ率が50〜90%の範囲になるように一工
程で連続的にシゴキ加工するものである。本発明は高い
シゴキ率によって底厚/側厚が1.5〜7.0の値を有
す金属外装缶を作製できる効果を有す。
料が鉄を主体とし、少なくともその電池内面側にはニッ
ケル層が配されたもので構成した電池の例を円筒形のニ
ッケル・水素蓄電池について説明する.まずこの電池に
用いた金属外装缶について説明する。図2の素材、
カップ作製、DI加工、耳部切断に示すように、素
材としてはアルミキルド鋼の冷間圧延鋼板SPCE材
(炭素含有量0.04wt%)の両面に約3.5ミクロ
ンのニッケルメッキを施し、これを熱処理した厚さが
0.4mmのニッケルメッキ鋼板2を用いた。このニッ
ケルメッキ鋼板をまず円形にくり抜き、プレスにより絞
り加工し外径21.5mm,高さ15.5mmの有底金
属缶カップ3を作製した。このカップ3の状態では、素
材と比べて底厚、側厚ともあまり変化は認められない。
に導入し、連続的にシゴキ加工することにより外径1
3.8mm,高さ54.0mmのDI有底金属缶4を作
製した。この状態では金属缶の側上部(耳部)は平坦で
なく加工により多少いびつな形状になっているので、側
上部の耳部6を切断することにより外径13.8mm,
高さ49.0mmの金属外装缶1とした。この金属外装
缶1の断面図を図1に示す。
缶1の底部1aの底厚(TA)は0.4mm、側壁部1bの
側厚(TB)は0.18mmになっておりシゴキ率としては
55%である。また、底厚(TA)/側厚(TB)=2.22の
値である。なお、ここで示した側厚(TB)は金属外装缶
1の中間高さにおける側厚であり側厚の平均的な値を示
すものである。
上部1cの開口部より5mm下がった位置での側厚(T
C、これを封口部周辺側厚という)は、封口強度を向上
する目的で中間部の側厚(TB)よりも約11%厚い0.
2mmとなるように金属外装缶1を製作した。
キ鋼板のヴィッカース硬度を示すHV値が108であ
り、金属外装缶成形後の側壁部(1b)のHV値は202
であり、DI加工によりHV値が1.87倍に向上し
た。
I缶作製過程で、電池内面側に無数の浅い底面に垂直な
溝を形成させている。この電池内面側に無数の浅い底面
に垂直な溝はDI缶作製過程での金型の引っ掻き傷であ
る。この引っ掻き傷はアルミナ等の比較的硬い粒子をD
I加工時に介在させることによって形成することができ
る。具体的にはアルミナを介在させる方法を採用して、
ニッケルメッキ処理過程でメッキ浴中にアルミナ粒子等
を混在してメッキすることによりわずかに存在するアル
ミナ粒子が無数の浅い底面に垂直な溝を形成しやすくし
ている。
微鏡写真である。図3は金属外装缶の電池内面側の表面
を300倍およびその□部分をさらに拡大した3000
倍の走査型電子顕微鏡写真で示しており、写真で白く見
える縦縞が無数の浅い底面に垂直な溝の部分7である。
図4は金属外装缶の側壁部の断面を200倍およびその
□部分をさらに拡大した10000倍で示す走査顕微鏡
写真で、10000倍の拡大写真で示すように鋼板SP
CE材9のニッケルメッキ層8に深さ1μm程度の浅い
溝7が電池内面側に無数に形成されていることが解る。
このようにして、本発明の電池に用いる金属外装缶の作
製は完了した。
いて円筒密閉形のニッケル・水素蓄電池を作製した。ま
ず発電要素である正極とセパレータ、負極を準備した。
正極は球状の水酸化ニッケル粉末と酸化亜鉛、酸化コバ
ルト、水酸化コバルトなどの添加物をペースト状に混合
し、スポンジ状のニッケル導電性多孔体に充填し、乾
燥,加圧,切断により所定の寸法(42mm×75mm
×0.72mm)に成形し電極とした。なお、この正極
板は電池の正極端子と接続が可能となるようにニッケル
金属のリードを取り付けた。セパレータは厚さが0.1
2mmのスルフォン化処理したポリプロピレン不織布を
用いた。負極は水素吸蔵合金としてAB5タイプのMm
Ni3.6 Mn0.4 Al0.3 Co0.7 組成の合金粉末に導
電剤や結着剤を添加しペースト状とし、鉄にニッケルメ
ッキしたパンチングメタル芯材に塗着し、乾燥,加圧,
切断により所定の寸法(42mm×101mm×0.4
4mm)に成形し電極とした。
渦巻き状に巻回し、先の金属外装缶に収納した。その場
合、負極板の最外周は金属外装缶と直接接触するように
構成している。その後密閉電池のキャップ部である正極
端子と正極板との接続をスポット溶接により行った。
電解液として水酸化リチウム(LiOH・H2 O)が
40g/l溶解した比重が1.30の水酸化カリウム
(KOH)水溶液を2.0cc電池内に注液し、通常の
カシメ封口により金属外装缶と封口キャップを封口し密
閉電池とした。この電池はAAサイズの電池で直径が1
4.5mm,高さが50.0mm、電池重量が約26g
である。電池の容量は1350mAhを有する。この電
池は本発明の電池として電池Aとする。
に従来例として電池B〜Eの作製と評価を試みた。電池
B〜Eの本発明の電池Aと異なる点は、いずれも金属外
装缶の構成が異なっており以下の通りである。
板をニッケルメッキすることなくそのまま使用し、表面
に無数の浅い底面に垂直な溝を形成したものである。電
池Cは、ニッケル層は有るが表面に無数の浅い底面に垂
直な溝の形成が無い構成のものである。電池Dは、底厚
/側厚が1.5未満の例として、底厚は0.4mm、側
厚は0.35mmに加工した底厚/側厚=1.14の金
属外装缶である。この金属外装缶のシゴキ率は12.5
%であって本発明と比べて低く、結果的に金属外装缶成
形後の側壁部のHV値は124と低く、加工により1.
15倍の向上しかできなかった。従って、電池Dは、底
厚/側厚の関係が本発明の範囲に無いだけでなく、加工
によるHV値の変化が1.5未満である点、しごき率が
20%未満である点が本発明と異なっている。
された炭素鋼を使用した電池である。
作製、電池の性能評価を通して得られた知見は以下の通
りである。
として具備すべき電池性能である、充電特性、放電特
性、サイクル寿命特性、保存特性の全てに対して優れた
性能を有しており、それ以外に目的とした電池の高エネ
ルギー密度と高信頼性についてもその両立が図れる電池
であった。より詳細な電池Aの特性については従来電池
B〜Eの説明の中で紹介する。
ニッケルメッキすることなくそのまま使用し、表面に無
数の浅い底面に垂直な溝の形成を行った金属外装缶によ
る電池であるが、これは金属外装缶の作成過程で絞りと
シゴキ加工が必ずしもスムースではなく、本発明と比較
すると成形不良が出やすいことが判明した。実際の電池
の特性に関しては、充電特性、放電特性、サイクル寿命
特性、保存特性の全てに対して問題が発生し実使用でき
る構成条件ではないことがわかった。これは鋼板上にニ
ッケル層が無いことに起因するアルカリ電解液による金
属外装缶の腐食の進行によるものと推察される。
が表面に無数の浅い底面に垂直な溝の形成が無い構成の
ものである。この場合は、金属外装缶の作成過程での問
題は特に無く、実際の電池の特性に関しても充電特性、
サイクル寿命特性、保存特性においては電池Aとほぼ同
等の優れた性能を発揮したが、電池Aと比較して放電特
性、特に高率放電での放電電圧に違いが認められた。図
5に20℃での高率(1CmA,3CmA)放電での特
性比較図を示す。図5に見られるように中間放電電圧で
1CmAのとき、電池Cは約30mV電池Aより放電電
圧が低く、3CmAのときはその差がさらに約50mV
にまで広がった。このことは高率放電としては比較的緩
やかな1CmAでもWhに換算して約2.5%の容量低
下を招いているというものである。近年、ニッケル水素
蓄電池は、特に高率放電特性が重要視される電池系であ
り、そこでは5CmA,10CmA,20CmAと徐々
に高率放電化の方向に用途展開が進んでおり、1CmA
レベルの高率放電特性に劣る事はかなり大きな問題であ
る。
35mmと厚肉に加工している関係で、比較的側壁部の
HV値も低いにも係わらず電池内の耐圧強度的な問題は
発生しなかった。ただし、側厚が本実施例の0.18m
mに対し約二倍近い0.35mmの側厚を有す電池D
は、電池内の有効体積が約5%減少し、結果的に電池の
エネルギー密度が5%低下するという問題を有してい
た。
された炭素鋼を使用した金属外装缶による電池である
が、この場合は絞りおよびシゴキ加工に難があり非常に
外装缶の加工がしずらく本実施例の底厚/側厚=2.2
2などの特性を有する金属外装缶を得ることは困難であ
った。
の製作の困難性や電池特性上の課題を有していたが、唯
一本発明の電池Aだけが、充電特性、放電特性、サイク
ル寿命特性、保存特性の全てに対して優れた性能を有し
ており、これにより目的とした電池の高エネルギー密度
と高信頼性についてもその両立が図れる電池であった。
属外装缶の材料が鉄を主体とし、少なくともその電池内
面側にはニッケル層が配されたもので構成した電池の例
を角形のリチウムイオン二次電池に実施した例について
説明する.まずこの電池に用いた金属外装缶について説
明する。素材としてはアルミキルド鋼の冷間圧延鋼板S
PCEの両面に約3.5ミクロンのニッケルメッキを施
し、これを熱処理した厚さが0.4mmのニッケルメッ
キ鋼板を用いた。このニッケルメッキ鋼板をまず矩形状
にくり抜き、プレスにより絞り加工し有底金属缶カップ
を作製した。このカップの状態では、素材と比べて底
厚、側厚ともあまり変化は認められない。
導入し、連続的にシゴキ加工することにより幅Pが22
mm、高さが52mm、厚さQが8mmの外径寸法を有
する有底金属缶を作製した。この状態では有底金属缶の
側上部(耳部)は平坦でなく加工により多少いびつな形
状になっているので、側上部を切断することにより、図
6に示す高さHが48mmの金属外装缶10とした。こ
の金属外装缶の底厚(TA)は0.4mm、側厚(TB)は
0.2mmになっておりシゴキ率としては50%であ
る。また、底厚/側厚=2.0の値である。なお、ここ
で示した側厚(TB)は金属外装缶10の中間高さにおけ
る側厚であり側厚の平均的な値を示すものである。
る上部10cの開口部より5mm下がった位置での側厚
(TC、これを封口部周辺側厚という)は,封口強度を向
上する目的で中間部の側厚(TB)よりも約25%厚い0.
25mmとなるように金属外装缶を製作した。
鋼板のヴィッカース硬度を示すHV値が108であり、
金属缶成形後の側壁部10bのHV値は186であり、
DI加工によりHV値が1.72倍に向上した。
I缶作製過程で、電池内面側に無数の浅い底面に垂直な
溝を形成させている。この電池内面側に無数の浅い底面
に垂直な溝はDI缶作製過程での金型の引っ掻き傷であ
る。先の実施例1と同様、アルミナ粒子により引っ掻き
傷が形成しやすいようにした。また、DI缶作製過程で
金型により電池内面側のコーナー部、すなわち底面と側
面に存在するコーナー、側面と側面に存在するコーナー
のRを半径0.4mmとした。この状態を図6に縦断面
図、横断面図を用いて示した。
が内圧強度的には有効であるが、限られた有効体積の中
で内圧強度を有効に保持し、かつ発電要素等を有効に収
容するためには半径0.5mm以下のR形状を有したも
のであることが重要であり、本発明においては図6に示
すようにこれらのコーナー部のRを半径0.4mmとし
た。これにより、金属外装缶の薄肉化を図っても電池内
の耐圧強度を維持することが可能になった。本発明の電
池に用いる金属外装缶10の作製は以上で完了した。
いて角形のリチウムイオン二次電池電池を作製した。ま
ず発電要素である正極とセパレータ、負極を準備した。
正極はLiCoO2 、アセチレンブラックよりなる導電
剤、フッ素樹脂結着剤などをペースト状に混合し、アル
ミニウム箔基板に塗着し、乾燥,加圧,切断により所定
の寸法に成形し電極とした。なお、この正極板は電池の
正極端子と接続が可能となるようにリードを取り付け
た。セパレータは厚さが0.027mmのポリエチレン
微多孔膜を用いた。負極は球状の黒鉛にスチレンブタジ
エンラバー(SBR)結着剤とカルボキシメチルセルロー
ス(CMC )増粘剤などを添加しペースト状とし、銅箔基
板に塗着し、乾燥,加圧,切断により所定の寸法に成形
し電極とした。
て渦巻き状に巻回し、先の金属外装缶に収納した。そし
て、密閉電池のキャップ部である正極端子と正極板とを
アルミニウムリード片で接続、および外装缶の負極端子
と負極板との接続をニッケルリード片で行った。
(EC)−ジエチルカーボネート(DEC)をモル比で1:
3の割合に配合したものに1mol/lの濃度の六フッ
化リン酸リチウム(LiPF6 )を溶解して電解液とした。
この電解液を電池内に注液し、通常のレーザ封口により
金属外装缶と封口キャップを封口し密閉電池とした。こ
の電池は、幅22mm、高さ48mm、厚さ8mmの角
形形状で、電池重量が約18gである。電池の容量は6
10mAhを有する。この電池は本発明の電池として電
池Fとする。
に従来例として電池Gの作製と評価を試みた。電池Gの
本発明の電池Fと異なる点は、金属外装缶の構成が異な
っている点である。
ルミニウム合金(3003)板を用いた。アルミニウム
合金をリチウムイオン二次電池の外装缶に用いた電池G
と同様の電池は現在、より軽量化を図った電池として脚
光を浴びているが、耐圧強度的に電池Fと同等の性能を
確保するためには、電池Gの場合、少なくとも有底金属
缶の側厚は0.5mm以上が必要であり、側厚は0.5
mmとした。この電池の外径寸法は電池Fと同様であ
り、発電要素の正極、負極、セパレータ、電解液なども
電池Fと同様にした場合、結果的に電池重量が約18
g、電池の容量は550mAhを有するものとなった。
たが、これらの間に差異は認められず性能的にはいずれ
の電池も良好な特性を示した。一方、電池のエネルギー
密度を比較すると本発明の電池Fは、体積エネルギー密
度が260Wh/l,重量エネルギー密度が122Wh
/kgであり、電池Gの234Wh/l,110Wh/
kgに対して、体積エネルギー密度で11%,重量エネ
ルギー密度でも11%それぞれ本発明の電池Fが従来電
池Gより優れている事が解った。
ース材に使用すると一見電池の軽量化が図られるように
見受けられるが、本発明のように比較的重い鉄系の材料
であっても、底厚/側厚比を高い値にするように加工す
る高いシゴキ率を導入することにより一層の電池の高ネ
ルギー密度化を実現することが可能となる。
例で説明が不十分な点について以下に補足説明する。
の底厚/側厚について、1.5〜7.0の規定してい
る。この値は小型軽量化のためにはより高い値を有する
ことが望ましいが、高い値にすると品質の信頼性、安全
性の懸念が生じ、いくつかの試験結果より7.0までの
範囲が良好であった。また、この値が1.5未満では電
池の高エネルギー密度化の効果が不十分である。特に底
厚/側厚は2.5〜5.0の範囲においてより効果的に
本発明を実施できることが解った。
面側のニッケル層の表面に無数の浅い底面に垂直な溝を
形成することを特徴とするが、この溝の深さはあくまで
ニッケル層の厚さ未満のものであり、決してニッケル層
の厚み以上に深い溝は形成しない物である。従来からD
I工法による電池用金属外装缶の電池内面側を粗面化の
ための細い縦筋を形成することが知られている(例えば
特許公報第2615529号)が、本発明は電池用金属
外装缶の電池内面側のニッケル層の表面にのみ無数の浅
い底面に垂直な溝を形成するものであり、従来は場合に
よっては鉄系材料まで縦筋を形成するのと異なりニッケ
ル層にのみ縦筋を形成している点で、金属材料の腐食な
どの問題を一切誘発しない点が優れている。
検討した結果、本発明を有効に実施するためには鉄系の
素材が炭素(C)を0.1wt%以下含む冷間圧延用の
炭素鋼であり、好ましくはチタン(Ti)、ニオブ(N
b)の少なくとも一種を0.1wt%以下含有する炭素
鋼であることが解った。炭素含有量とシゴキ加工性とに
おいて、炭素含有量が少ないほどその加工性が向上する
こと、さらにチタン(Ti)、ニオブ(Nb)の少なく
とも一種を0.1wt%以下含有する炭素鋼であればそ
の加工性が向上することを確認した。
5mmΦ以下の円筒状で有る場合に、金属缶の側壁部の
肉厚に関し、電池封口部周辺の側厚(TC)が他の部分の側
厚(TB)よりも少なくとも30%以上厚くしていると本発
明の効果を一層強調することが可能である。これは、外
径が35mmΦ以下の円筒形あるいはこれに類似する形
状の電池においては金属外装缶の側厚をかなり薄くして
も電池内の耐圧強度は比較的良好に保持できる。むしろ
これらの電池で耐圧強度的に問題が生ずるのは電池封口
部周辺にある。この耐圧強度的に問題の電池封口部周辺
の耐圧強度を改善するためには電池封口部周辺の側厚を
他の部分の側厚よりも厚くすることが効果的であり、少
なくとも30%以上厚くすることにより、金属外装缶全
体としては薄肉化を図りつつ、耐圧強度的に重要な電池
封口部周辺の側厚は必要な肉厚を確保して全体としての
バランスを向上させることが可能となる。
れて、電池サイズが徐々に小型化、薄型化の方向になり
つつある。その場合、金属外装缶の側壁部の厚みは出来
るだけ薄くなることが望まれている。本発明のDI工法
においては、このようなニーズへの技術的な対応が可能
であり、従来のトランスファー絞り工法では限界とされ
る0.2mm以下の0.05〜0.15mmの範囲の側
厚も可能であるとの結果を得ている。これにより、金属
外装缶の側壁部の厚みを従来にないレベルにまで低減
し、一層の電池の高エネルギー密度化を実現できる。
池、角形のリチウムイオン二次電池の例で示したが、本
発明はその他に例えばアルカリマンガン乾電池などの一
次電池やリチウム一次電池、ポリマーリチウム電池など
への適応も可能で、発電要素を金属外装缶に収納した電
池であって、前記金属缶が円筒形、角形、あるいはそれ
に類似の形状を有する一次電池、二次電池に使用するこ
とができる。
ニッケル層の表面に無数の浅い底面に垂直な溝を形成し
たことによって、金属外装缶とそこに収納する発電要素
との接触抵抗を著しく低減できる効果を生む。また、そ
の無数の浅い底面に垂直な溝がニッケル層だけに形成さ
れているため極めて耐食性に優れるという効果を発揮す
る。そして、これらの技術を駆使することにより、高い
シゴキ率による金属外装缶を得られ、電池の軽量化と薄
肉化が図られ結果的に電池としての高エネルギー密度化
を実現できる効果もある。
化と高信頼性・安全性の両立が図れると共に比較的安価
に製造できる電池を提供できる。
装缶の断面図。
装缶の作製までの工程図。
を300倍と3000倍の倍率で示す金属組織の走査型
電子顕微鏡写真。
10000倍の倍率で示す金属組織の走査型電子顕微鏡
写真。
(1CmA,3CmA)放電特性比較図。
外装缶の断面図とそのコーナー部の拡大図。
Claims (12)
- 【請求項1】 発電要素を金属外装缶に収納した電池で
あって、前記金属外装缶が円筒形、角形、あるいはそれ
に類似の形状を有する底厚/側厚が1.5〜7.0の値
を有す有底金属缶であり、該金属外装缶が鉄を主体と
し、少なくともその電池内面側にはニッケル層が配され
たものであり、かつそのニッケル層の表面には無数の浅
い底面に垂直な溝が形成されていることを特徴とする電
池。 - 【請求項2】 底厚/側厚が2.5〜5.0の値を有す
金属外装缶である請求項1記載の電池。 - 【請求項3】 ニッケル層が20μm以下でニッケル層
に形成される無数の浅い底面に垂直な溝の深さは0.5
μm以上で該ニッケル層の厚さ未満である請求項1又は
2記載の電池。 - 【請求項4】 金属外装缶の材料が、鉄を主体とし、炭
素(C)を0.1wt%以下含む冷間圧延用の炭素鋼で
ある請求項1から3のいずれかに記載の電池。 - 【請求項5】 金属外装缶の材料が、チタン(Ti)、
ニオブ(Nb)の少なくとも一種を0.1wt%以下含
有する炭素鋼である請求項4記載の電池。 - 【請求項6】 金属外装缶に使用する素材の鉄を主体と
する金属材料のヴィッカース硬度を示すHV値に対し、
金属外装缶成形後の金属外装缶の側壁部のHV値が1.
5倍以上の値を有す請求項1から5のいずれかに記載の
電池。 - 【請求項7】 金属外装缶の側壁部の肉厚に関し、電池
封口部周辺の側厚が他の部分の側厚よりも少なくとも1
0%以上厚くしていることを特徴とする請求項1から5
のいずれかに記載の電池。 - 【請求項8】 金属外装缶が外径が35mmΦ以下の円
筒状であって、金属外装缶の側壁部の肉厚に関し、電池
封口部周辺の側厚が他の部分の側厚よりも少なくとも3
0%以上厚くしていることを特徴とする請求項1から5
のいずれかに記載の電池。 - 【請求項9】 金属外装缶の側壁部の厚みが0.05〜
0.15mmの範囲である請求項1から5のいずれかに
記載の電池。 - 【請求項10】 発電要素を金属外装缶に収納した電池
であって、前記金属外装缶が角形、あるいはそれに類似
の形状を有する底厚/側厚が1.5〜7.0の値を有す
有底金属缶であり、該金属外装缶が鉄を主体とし、少な
くともその電池内面側にはニッケル層が配されたもので
あり、かつそのニッケル層の表面には無数の浅い底面に
垂直な溝が形成されており、かつ該金属外装缶の縦切断
面、横切断面における少なくとも電池内面側のコーナー
部が半径0.5mm以下の曲率形状であることを特徴と
する電池。 - 【請求項11】 少なくとも一方の面にニッケル層を形
成した鉄系金属板を有底筒状に絞り成形し、前記有底筒
状に成形された缶の側部をシゴキ率が20〜90%の範
囲になるように一工程で連続的にシゴキ加工しつつ、そ
の電池内面側に設けたニッケル層に無数の浅い縦溝を形
成した円筒形、角形、あるいはそれに類似の形状を有す
る底厚/側厚が1.5〜7.0の値を有す金属外装缶を
作製し、これを用いて電池とする電池の製造方法。 - 【請求項12】 シゴキ率が50〜90%の範囲になる
ように連続的にシゴキ加工する請求項11記載の電池の
製造方法。
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