JPS5942776A - 第２膨張スペ−スを有する電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明はＬ電池一般に関するものであり、特に、電極の
膨潤分を受入れるためのまたｉ、ｌｆ、池眼圧の安定に
必要な還元剤の場所を提供するための第２膨張スペース
を有する電池格造に関するものである。

背景技術 いずれのバッテリシステムの設計においても、種々の゛
電池成分のスペース割当とその選定が最も重要であるこ
とは明瞭である。与えられた市電形状から最大のエネル
ギー密度を抽出するために、負極と正極は限られたスペ
ースを最大限に利用するようにコンパクトな形で存在し
なければならない。その上、電池は、電極反応生成物の
ためのｊｇ張ススペース台筐なければならない。膨張ス
ペースは伝統的に負・誂と正極の中間に配置されている
が、この場所には電解質とセパレータも配置される。

バッテリ設計における傾向は、その容器を増大するため
Ｖ：、電極の重量を増大することにある。これは゛電極
を限られたスペースの中にはめ込むため妃、コンパクト
化することによって実施される。

不幸にして、膨張反応の生反物のための膨張スペースが
不十分であるが故に、゛低電の効率と容量が低下される
ことが発見された。反応生成物は、電極の細孔と反応サ
イトを閉幕することによって電池容器を低下させる順向
が鳥と）。この問題は、生成物が電極細孔の中に詰込゛
ｆλＬ、所望の反応を維持するのに十分な量の′電解質
の進入を妨げることによって重大となる。

この問題をＩｉギ減する７つの方法はその′成栖の多孔
度を増大するにある。このようにしである程度の改良は
得られるけれども　停屯率の低下と電・甑構造の弱化に
よる諸間粗のため、この方向に進むことが制限され、他
方、十分なｊ膨張スペースを与える間ｔαは解決されて
いない。

従来、反応生成物を形成する俄雨においては、生成物の
膨張スペース、電極密度、活性表面Ａ、多孔度、導電率
および湿潤性゛などの゛若干の重要なパラメータを相互
に相殺することによって妥協点に達していた。ｌ 非水性バッテリシステムにおいては　、！Ｘ１５スペー
スのパラメータは特に尖鋭である。例えはリチウム電池
システムにおいては、正、廓に反応生成物が形成され、
これによって正極を外側にあらゆる方向に咳潤させる。

更に、懺化リチウムまたは酸化リチウムなどのリチウム
放電生成物は不良イオン導体および不良電子導体であっ
て、常に電解質と正極との界面に形成され、イオン流と
電子流の減少をもたらし、その結果バッテリの効率を低
下させる。

′市電は限られた容積の内部スペースを有するのである
から、電池内部のこの有効スペースを出来るだけうまく
割当ることが望ましい。

正極の膨張は電池内部で問題を生じるたけでなく、その
電池を配置した装置に対しても損害を与える場合がある
。正極の軸方向膨張が電池容器のふくらみを生じる。例
えはボタン′ｍ池が梢巧な電子（湾器の中に配置藏され
た場合、電池が放′屯するに従って、ふくれたケーシン
グが電池格納部の中にはめ込韮れて、その除去のために
大きな修繕費を必要とする。電子エタ、すがミニチュア
化に向って巧妙に進むに従って、電池ホルダーと′耐電
そのものとの間の寸法公差が菫す１ずきわどくなって行
く。

従って、大きく膨張しない’ｌ１ｊｊ＋池が必要である
。

若干の正極配合物（ＦｏＳ　、　ＣｕＳ　、　Ｂｉ２５
５　、　ＣｄＯなど）は痕跡量の高電圧不純物（元素（
１＋＋ｊ黄、水酸化物など）を含有し、これがし＆、Ｉ
：　Ｌば望捷しくない程度に高い初期開路電圧をもたら
すことが経ｊ疾的に発見された。新しい電池における電
圧を安定（即ち低下）させるため、バッテリメーカは通
常゛°焼入れ（ｂｕｒｎｉｎｇ　ｉｎ）”と呼ばれる方
決を用い、電池を出荷前に故−直に所定量放電させる。

電池を安定化させる他の技術は、正４ベミツクスの中に
還元剤を混入する方法、または正極に対して還元性ベレ
ットを物理的に整列させる方法である。前者の技術の欠
点は、追加的な混入段階を必要とすることである。これ
に対して、後者の技術においては、ベレット／正極界面
の付近においてのみ有効な還元作用が生じることである
。広い正極区域にわたって局所的反応を発生さぜること
が望葦しい。

発明の要約 従って、本発明によれば、前Ａ’ｒ２の他のパラメータ
を著しくそこなわないように電池の中に最初から１、よ
り大きな生成物膨張スペースを備えることによって、こ
れらのパラメータを最も合理的に満たすようにした電池
４ｊｑ造が提供される。

本発明は生成物を発生する電極と゛電池ケーシングとの
間１（第２膨張スペースを配備するにある。

これによって、反応生成物を追加方向に膨張させること
ができる。壕だこの第２スペースは電極の活性表面積を
倍加し、また還元性ペレットの場所を提供して電極の化
学的効率を増大する。

正極の下に集電スペーサを配置することによって電極と
電池ケーシングとの間に第２膨張スペースが配備される
。このようにして膨張生成物は二軸方向に、膨張さぜら
れると共に、電解質は、ケーシングの内側面に対して整
列された通常乾録した第２正極面と自由に接触させられ
る。

第、２膨張スペースを使用することにょム正極の付近に
　しかし正極から離間して還元性ベレットを配置する場
所が与えられ、還元剤と正使との間の電子接触２よび電
解質接触が確保され、このようにして電極面の可能ンよ
限シ広い部分にわたりて二次電気化学還元反応を発生す
ることができる。

この設計は、焼入れ壕だ＆−ｉ混入の必要なく　、’＋
ｉ４池放電の初期の定格動作を高めることがＣ′きる。

本発明の好昔しい実施態様 第１図について述べれは、１イ］鎖直目ｉＪのボタン［
、。

池１０が図示されている。この−池１０は尋鍼性ケーシ
ング／２と、導゛Ｌ性カバー／ケと、前記ケーシングと
カバーｌ弘との出ＪＶＣＩ！ｉ己軌されｌご１１巴イ訟
１生シーラント丑たはガスケット／６とから成る。

下記の記述は主として非水性リチウム／固体正極システ
ムに係わるものであるが、本発明は、［注イｍｌが膨張
する傾向を示す仙の′電池システム（水性またけ非水性
゛電池）についても使用することができるものと了解さ
れたい。

リチウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネ
シウムおよびその合金なとの消耗性負・ｉｊ／　ｇが導
電性カバー／弘と直接に゛ｌＦｊ気Ｊｚ；、　ａしてい
る。負極／どの直下に配置された第２膨張スペース、２
０は／個芽たは２個の圧縮性多孔性セパレータ＜ＪＡと
、２２Ｂとから成る。これらのセパレータ、２−Ａと、
２．２Ｂは他の電池成分に対して化学的に相容性でなけ
ればならず、また電解質がこれを透過して負極／ｇおよ
び正極評と接触して、これらの極間にイオン伝導路を成
すことができる程度の多孔度を有しなければならない。

更にセパレータ、２．２Ａと、２．ｌｌＢは正極Ｊの上
向き膨張を受は入れる程度の圧縮特性を示さなければな
らない。従って、このセパレータは、ポリプロピレン、
ポリエチレン、グラスファイバーおよび類似物などの任
意適当な材料で作ることができる。

正・１７ｉｉ評は好丑しくは固体ウェーハであって、Ｃ
Ｆｘ１金属酸化物（Ｖ２０５　、　ＷＯ５、Ｍｏ　０５
など）、鉛酸化物（Ｐｂ５０ＦＩ、　ｐｂｏなと）、コ
バルト酸化物、ＭｎＯ２，銅酸化物、金属鎖化物（Ｃｕ
Ｓ　、　Ｃｏ５２　、　Ｆｅｄ。

ＦｅＳ２など）、金属クロム酸塩（Ａｇ２　ＣｒＯ＋＋
など）、金属リン酸塩（Ａｇ、ｐｏｑなど）および金１
９４１圃酸塩（ＣｕＳＯｌｌなど）などの非水性システ
ムに適した任意の物質で構成することができる。

前記リストはこれに尽きるものではなく、これらは単に
本発明によって使用するに適した種々の正極物質の例と
して挙げられたものに過ぎない。

導電性スペーサまたは県電体、２乙が正物、２４および
ケーシング１２に対して密接に゛Ｉｆｉ気的光動的光列
る。

電池のクリンピング操作および閉鎖に１ジにして８４、
池の内部構造を支持するため、正１４　、％’とガスケ
ット／６との間に支持リング、２ｇが配置される。

集電体、２６を正極ＪのＦ方に配置することにより、正
極コ弘とケーシング７．２との曲に第１膨張スペース２
０が形成される。特定の’Ｐｉ−１．’池ケミストリに
ついて選定された適当な′は解１ｉが、この第１膨張ス
ペース２０と第２膨張スペース３０の内部に、また正、
ｊ＋ｆＨＱケとセパレータ２．２人と２２Ｂの内部１７
Ｉ：配置される。適当な電解質の広範なリストについて
は米国特許第ｆ、／２Ｚｔｌｔ号を参照。

Ｍ、２図は本発明の他の爽（／ｌｊｊ　ｊ甜イボを示す
。この図においては、巣電体ユ６は正極ウェーハＪその
ものの内部に埋め込まれ、またウェーハＪの下に折り込
まれている。呆電体易ン正極Ｊの下に折り込むことによ
り、正極Ｊとケーシング／、２とり間に第１膨張スペー
ス２０が形成される。

グリッドユ６とケーシング／、２との間にペレット３２
が配置される。このペレット３２が正４！ｌｌＳ、２弘
と接触していないことに特に注意されたい。製造を簡単
にするため、この還元性ペレット３２は置棚／ｇと同一
物り１（で作ることができる。

また本発明はその基礎原理について１ハｊ単に述べるこ
とによって、より良く理解されるであろう。

先に述べたように、非水性′トｕ池に係わる主要な設計
上の問題は正極のｊ膨張によって生じる問題である。本
発明においては、従来の正極上方に配置された膨張スペ
ースのほかに、正極が膨張するための第２ｊ膨張区域を
使用することによってこの問題を解決しようとした。

第１膨張スペース３０ば、正極二弘とケーシング／、２
との開に導電性スペーサ易を挿入することによって［藺
えられろ。このスペーサぶは集電体を：兼ねている。４
献性スペーサ。２６はスクリーンとして図示されている
か、下記の基準に合致した任慧設計のものとすることが
できる（有ｌｊ状リング、網、グリッド状ｊｚど）。

ｌ、導電性スペーサ、２／ｉ　ｆ’１．　、反応生成物
の膨張と、反応面をぬらず電解ケ貰の浸入に対して十分
なスペースを成すような形状のもの“Ｃ７、（りればな
らない。

２、電極とケーシングとのＩｌ、Ｉ）に刃−ムＪｌに触
が保持されなけれ（」：ならない。

ｆｇ　、２図の実施ｊ用柱に見ら７しる。１．うに、ス
ペーサ、２６は、導電率、集電および多ｊ１１．ｉ：　
％および組立ての！ｉｊ単さのため、ウェーハＪの形成
中にこの正極の内部に埋め込むことができる。

その上、還元性ペレット３．２が特に正セｔ、Ｊ／４７
：）・らＦｉｆｌｉ間配置さ机配置グリッド、２６、り
′−シング／、？および館、２膨張スペース３０の中に
配置され１こ＋ｔ＋、ｉ′Ｊ〒質とＷｉお〉な電気整列
関係にある。ペレット３−はグリッドコロの相当部分に
泊って、放電し、局所的短絡’ｉ（を池を形成する。従
って例えばＩ、ｌ　／Ｆｅ　Ｓ　’電池において、正極
が作動してその本来の作動゛重圧Ｖｃ達するために必要
とされる時間が大幅ｉｃ短Ｑ：＋ｒｉされる。ペレット
３ユをグリッドユ６からＴＪｌ能な限シ丙１１間さぜる
ことによシ、広範な局所的内部・１ｉＬ池反応が発生す
る。

更に、発生した反応生成物が２！Ｊ８体（Ｆ’ｎ　Ｓ　
−＋　Ｆ’ｅ　。

Ａｇ２　Ｃｒ　０１１−）　Ａｇ　、　Ｂｉ２　Ｓ３−
＊　Ｂｉ　）　　であれは、この生成物は還元された面
上に有効プよ集電体を成し、これ延よって更に正極導電
率を改良する。

この新規な設計から得られる他の利点は、（ａ）反応面
を湿潤状態に保持すること、および（ｂ）膨張スペース
中におりて生じるガス泡の問題を除去することである。

ミニチーアポタン電池（ＲＷ−件およびＲＷ−３０電池
サイズ）についてリチウム／硫化鉄／有機電解質システ
ムを用込、第２膨張スペース３０を使用した実施例にお
いて、第１図に図示のように、一方の電極、この場合に
は圧縮正極−１？−とケーシング／２の底部との間にニ
ッケルスクリーンスペーサコロを配置した。

スペーサを使用した場合と使用しない場合につ込て、Ｒ
Ｗ−３０サイズのテスト電池の放電データを比較したが
（第１表参照）、スペーサＪを使用した場合、電池は適
正な容量と作動時間をもって放電したのに対して、スペ
ーサを有しない電池は規定負荷を保持することはできな
かった。

第７表 平均作動時間（ｈｒ　）　　　　Ａｉ３　　　　　　ｏ
、ｏｉ平均電池容量（ｍＡＨ）　　　　、２１Ａ、２　
　　　０．０３電池の数　　　　ｇ３ 電解質”、　３０　Ｐ　Ｃ／！；ＯＤ　Ｍ　Ｅ　／　／
、　、２　Ｍ　Ｌｉ　Ａｓ　Ｆ６本発明は前記の説明の
みに限定されるものでなくその主旨の範囲内において任
意に変更実施できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施態様を用いたボタン電池の断面図
、また第２図は本発明の他の実施態様の電池の断面図で
ある。 ＩＯ・・・１１１　池Ｎ　／Ｊ・・・ケーシング、ｌｔ
・・・カバー、ｌＡ・・・ガスケット、１ｇ・・・負極
、２０・・・第１膨張スペース、コニＡ、、２２Ｂ・・
・多孔性セパレータ、２弘・・・正極、：１６・・・ス
ペーサ集電体、Ｕ・・・支持リング、３０・・・第２膨
張スペース、３２・・・還元性ベレソト 手続補正書（方式） 昭和郭年９月ｒ日 特許庁長官　　若　杉　和　夫　殿 １、事件の表示 昭和団年特許願第７８１４２号 ２、発明の名称 第２膨張スペースを有する電池 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 レイオノ々ツク、コーポレーション 図　　　面

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ／、正極と、前記正極に電気的に整列した導電性ケーシ
   ングと、負極と、負極ＶＣ電気的に姫列した導電性カバ
   ーと、負極と正極との間のセパレータと、負極と正極の
   間のハル／膨張スペースと、ケーシングとカバーの間に
   配置された絶縁性留封部材とを含む電池において、前記
   正極はウェーハ形を成し、前記正極とケーシングとの間
   に４　成性スペーサが配置されて正極とケーシングとの
   間に第１膨張スペースを成し、また第１膨張スペースと
   ｉＷη膨張スペースの中に１Ｌ屏質が配置されているこ
   とを特徴とする電池。 コ、前記スペーサが正極の中に埋込筐れ　まだ正極のド
   に折込まれて正丘とケーシングとに密厳に′電気接触し
   ている特許請求のｉ出回第／項による電池。 ３、還元性ペレットがｇ％’　、２ｊｉ張スベーｘ　（
   ７）　内部に配置されている特許請求の範囲ｉ１ｒ、　
   ／　、す１による１ａ池。 ゲ、前記ベレットはケーシングとスペーサとの間に整列
   されている特許請求の■出回・毛３」貝による電池。 ！　負極がリチウムを含有する特許Ｍ？！求の；ｉ、α
   間第１項による電池。 ｔ、前記スペーサはグリッドであるｌ侍許■１ノ求の範
   囲第１項による゛離油。 ７、電池ケミストリが非水性でン（ろ句’ｊｆ　Ｆｔ’
   Ｆ　ｉ：＋’？求の範囲第１項による電池。 ｒ、密封部材を正価との間に貝荷支持リングが配置され
   ている特許請求の範ｌ！＋Ｊｊ：＋う７項による巾６池