WO2021124813A1

WO2021124813A1 - 円筒形電池

Info

Publication number: WO2021124813A1
Application number: PCT/JP2020/043706
Authority: WO
Inventors: 福岡　孝博; 山下　修一; 吉田　聡司; 奥田　和博
Original assignee: 三洋電機株式会社
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2021-06-24
Also published as: US20230016421A1; EP4080648A1; JPWO2021124813A1; CN114830414A

Abstract

高容量化しつつも重量の増加を抑制することができる円筒形電池を提供する。　正極および負極がセパレータを介して巻回された電極体と、電解質と、電極体および電解質を収容する有底円筒状の外装缶（２０）と、外装缶（２０）の開口端部（２０Ｂ）にかしめ固定された外装缶（２０）を密閉する封口体（３０）と、を有する円筒形電池（１０）であって、外装缶（２０）において、電極体を収容する胴体部（２０Ａ）の外径は、２０ｍｍ以上であって、封口体（３０）を収容する開口端部（２０Ｂ）の外径は、胴体部（２０Ａ）の外径よりも小さい。

Description

円筒形電池

　本開示は、円筒形電池に関する。

　従来、円筒形電池が知られている。例えば特許文献１には、一端側が開口した有底円筒形状の外装缶と、外装缶を密閉する封口体とを有する円筒形電池が開示されている。近年、円筒形電池の用途がパソコンから電気自動車等に向けて拡大されたため、円筒形電池の高容量化が求められており、電池サイズの大型化が検討されている。

特開２０１８－２００８２６号公報

　電池サイズの大型化に伴い、外装缶の径を大きくする場合、封口体の径を大きくする必要がある。封口体の径を大きくする場合には、封口体を外装缶にかしめる際のかしめ力、ならびに封口体の外部衝撃に対する耐久強度も大きくする必要があり、ひいては封口体の厚みを大きくする必要がある。しかし、封口体の厚みを大きくする場合には、封口体の重量増加となり円筒形電池の重量増加につながる。

　本開示の目的は、高容量化しつつも重量の増加を抑制することができる円筒形電池を提供することである。

　本開示の一態様である円筒形電池は、正極および負極がセパレータを介して巻回された電極体と、電解質と、電極体および電解質を収容する有底円筒状の外装缶と、外装缶の開口端部にかしめ固定された封口体と、を有する円筒形電池であって、外装缶において、電極体を収容する外装缶の胴体の外径は、２０ｍｍ以上であって、封口体を収容する開口端部の外径は、胴体部の外径よりも小さい。

　本開示の一態様によれば、高容量化しつつも重量の増加を抑制することができる円筒形電池を実現することができる。

実施形態の一例である円筒形電池の断面図である。実施形態の一例である外装缶および封口体の断面図である。実施形態の一例である円筒形電池を製造する製造工程の流れを示すフロー図である。実施形態の一例である円筒形電池を製造する製造工程の一部を説明する模式図である。実施形態の一例である円筒形電池の効果を説明する、（Ａ）実施形態の一例である円筒形電池の断面図、（Ｂ）比較例の円筒形電池の断面図である。

　以下、図面を用いて本開示の実施形態を説明する。以下で説明する形状、材料および個数は、説明のための例示であって、円筒形電池の仕様に応じて適宜変更することができる。以下ではすべての図面において同等の要素には同一の符号を付して説明する。

　図１を用いて、実施形態の一例である円筒形電池１０について説明する。図１は、円筒形電池１０の断面図である。

　図１に示すように、円筒形電池１０は、電極体１４と、電解質（図示せず）と、電極体１４および電解質を収容する外装缶２０とを備える。電極体１４は、正極１１と、負極１２と、セパレータ１３とを備え、正極１１と負極１２がセパレータ１３を介して渦巻き状に巻回された巻回構造を有する。外装缶２０は、上端側が開口した有底円筒形状を有し、外装缶２０の開口は封口体３０によって塞がれている。

　正極１１は、正極集電体と、当該集電体の少なくとも一方の面に形成された正極合材層とを備える。正極集電体には、アルミニウム、アルミニウム合金等、正極１１の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。正極合材層は、正極活物質、アセチレンブラック等の導電材、およびポリフッ化ビニリデン等の結着材を含み、正極集電体の両面に形成されることが好ましい。正極活物質には、例えばリチウム含有遷移金属複合酸化物が用いられる。正極１１は、正極集電体上に正極活物質、導電材、および結着材等を含む正極合材スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、塗膜を圧縮して正極合材層を正極集電体の両面に形成することにより製造できる。

　負極１２は、負極集電体と、当該集電体の少なくとも一方の面に形成された負極合材層とを備える。負極集電体には、銅、銅合金等の負極１２の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。負極合材層は、負極活物質、およびスチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）等の結着材を含み、負極集電体の両面に形成されることが好ましい。負極活物質には、例えば黒鉛、シリコン含有化合物等が用いられる。負極１２は、負極集電体上に負極活物質、結着材等を含む負極合材スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、塗膜を圧延して負極合材層を集電体の両面に形成することにより製造できる。

　電解質には、例えば非水電解質が用いられる。非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解した電解質塩とを含む。非水溶媒には、例えばエステル類、エーテル類、ニトリル類、アミド類、およびこれらの２種以上の混合溶媒等を用いてもよい。非水溶媒は、これら溶媒の水素の少なくとも一部をフッ素等のハロゲン原子で置換したハロゲン置換体を含有していてもよい。なお、非水電解質は液体電解質に限定されず、固体電解質であってもよい。電解質塩には、例えばＬｉＰＦ_６等のリチウム塩が使用される。電解質の種類は特に限定されず、水系電解質であってもよい。

　円筒形電池１０は、電極体１４の上下にそれぞれ配置された絶縁板１８，１９を備える。図１に示す例では、正極１１に取り付けられた正極リード１５が絶縁板１８の貫通孔を通って封口体３０側に延び、負極１２に取り付けられた負極リード１６が絶縁板１９の外側を通って外装缶２０の底部側に延びている。正極リード１５は封口体３０の底板である内部端子板３１の下面に溶接等で接続され、内部端子板３１と電気的に接続された封口体３０の天板であるキャップ３５が正極外部端子となる。負極リード１６は外装缶２０の底部内面に溶接等で接続され、外装缶２０の底部が負極外部端子となる。

　外装缶２０は、有底円筒形状の金属製容器である。外装缶２０と封口体３０との間にはガスケット３９が設けられ、電池内部の密閉性が確保される。詳細は後述するが、外装缶２０の開口端部２０Ｂの外径は、外装缶２０の電極体１４を収容する胴体部２０Ａの外径よりも小さく形成される。外装缶２０の開口端部２０Ｂの近傍には、側面部の一部が内側に張り出した、封口体３０を支持する溝入部２０Ｃが形成されている。溝入部２０Ｃは、外装缶２０の周方向に沿って環状に形成されることが好ましく、その上面で封口体３０を支持する。溝入部２０Ｃに支持された封口体３０は、封口体３０に対してかしめられた外装缶２０の開口端部により、外装缶２０に固定される。

　封口体３０は、電極体１４側から順に、内部端子板３１、下弁体３２、絶縁部材３３、上弁体３４、およびキャップ３５が積層された構造を有する。封口体３０を構成する各部材は、例えば円盤状又はリング状を呈し、絶縁部材３３を除く各部材は互いに電気的に接続されている。下弁体３２と上弁体３４は各々の中央部で互いに接続され、各々の周縁部の間には絶縁部材３３が介在している。異常発熱で電池の内圧が上昇すると、下弁体３２が上弁体３４をキャップ３５側に押し上げるように変形して破断し、下弁体３２と上弁体３４の間の電流経路が遮断される。さらに内圧が上昇すると、上弁体３４が破断し、キャップ３５の通気孔３５Ａからガスが排出される。

　図２を用いて、外装缶２０および封口体３０について、さらに詳細に説明する。図２は、円筒形電池１０の断面図である。なお、図２では、円筒形電池１０の内部の電極体１４等の図示は省略している。

　外装缶２０は、上述したように電極体１４（図１参照）および電解質を収容すると共に上端側が開口された有底円筒状の金属製容器である。外装缶２０では、上述したように開口端部２０Ｂの外径（図中のφＢ）が胴体部２０Ａの外径（図中のφＡ）よりも小さく形成されている。

　胴体部２０Ａは、外装缶２０のうち底部と溝入部２０Ｃの下面の間に挟まれた部分であって、電極体１４を収容する部分である。胴体部２０Ａは、円筒状に形成される。本実施形態の胴体部２０Ａの外径は、２０ｍｍ以上３５ｍｍ以下であることが好ましい。さらには、２０ｍｍ以上２１ｍｍ以下であることが好ましい。

　開口端部２０Ｂは、外装缶２０の開口端と溝入部２０Ｃの上面に挟まれた部分であって、封口体３０を収容する部分である。開口端部２０Ｂは、円筒状に形成される。

　本実施形態の開口端部２０Ｂの外径は、胴体部２０Ａの外径の２％以上小さいことが好ましい。さらには、開口端部２０Ｂの外径は、胴体部２０Ａの外径の１０％以下小さいことが好ましい。換言すれば、開口端部２０Ｂの外径は、胴体部２０Ａの外径の９０％～９８％の大きさであることが好ましい。

　さらには、本実施形態の開口端部２０Ｂの外径は、胴体部２０Ａの外径の５％以上小さいことが好ましい。さらには、開口端部２０Ｂの外径は、胴体部２０Ａの外径の９％以下小さいことが好ましい。換言すれば、開口端部２０Ｂの外径は、胴体部２０Ａの外径の９１％～９５％の大きさであることが好ましい。

　封口体３０は、外装缶２０の開口端部２０Ｂにかしめ固定される。外装缶２０と封口体３０との間にはガスケット３９が設けられ、外装缶２０の内部の密閉性が確保される。本実施形態の封口体３０は、外装缶２０の開口端部２０Ｂの外径に対応する径の封口体が使用される。

　図３および図４を用いて、円筒形電池１０の製造工程について説明する。なお、以下では適宜図１を参照してもよい。図３は、製造工程の流れを示すフロー図である。図４は、製造工程の一部を示す模式図である。図４では、円筒形電池１０の内部の電極体１４等の図示は省略している。　

　図３に示すように、ステップＳ１１において、正極１１と負極１２とをセパレータ１３を介して渦巻状に巻回し、電極体１４を作製する。ステップＳ１２において、絶縁板１９とともに電極体１４を鋼板の絞り加工により作製した有底円筒状の外装缶２０に挿入する。ステップＳ１３において、外装缶２０の底面部の内面と負極リード１６とを溶接する。

　図４（Ａ）に示すように、ステップＳ１４において、内径がφ２１ｍｍ～φ１８．２ｍｍで１０°のテーパー形状を有する縮径金型５１を用いて、外装缶２０の開口端部２０Ｂ（開口された上端側から１０ｍｍ）をφ２０ｍｍからφ１８．２ｍｍまで縮径加工する。テーパー形状を有する縮径金型５１を用いることで、加工後に縮径金型５１を外装缶２０から容易に分離することができる。胴体部２０Ａと溝入部２０Ｃの間に外装缶２０の外径が溝入部２０Ｃに向かって減少するテーパー形状の縮径部が形成されるように縮径加工を行ってもよい。ステップＳ１４をステップＳ１２より後に行うことで、開口端部２０Ｂの内径よりも大きな外径を有する電極体１４を外装缶２０に挿入することができる。

　ステップＳ１５において、外装缶２０に絶縁板１８を挿入する。図４（Ｂ）に示すように、ステップＳ１６において、縮径加工された開口端部２０Ｂに溝加工し、溝入部２０Ｃを形成する。ステップＳ１７において、溝入部２０Ｃの内面に封止材を塗布する。

　ステップＳ１８において、溝入部２０Ｃにガスケット３９を挿入する。ステップＳ１９において、封口体３０の内部端子板３１と正極リード１５とを溶接する。封口体３０及びガスケット３９外径は、縮径加工された開口端部２０Ｂの外径に応じて決定される。ステップＳ２０において、外装缶２０に電解質を注入する。ステップＳ２１において、封口体３０を外装缶２０の開口端部２０Ｂに挿入する。

　図４（Ｃ）に示すように、ステップＳ２２において、かしめ金型（図示なし）によって封口体３０のかしめ固定が行われる。かしめ金型は、例えばプレス装置によって上下動する上型と、溝入部２０Ｃにおいて上型を受ける下型とを有する。下型には２つに分割された割型が用いられ、開口端部２０Ｂをプレス加工する際に割型の一部が溝入部２０Ｃに挿入され、上型からの圧力を受ける。ステップＳ２３において、円筒形電池１０をプレスして円筒形電池１０の高さを調整する。

　図５（Ａ）および図５（Ｂ）を用いて、円筒形電池１０の効果について説明する。図５（Ａ）は、実施形態の一例である円筒形電池１０の断面図である。図５（Ｂ）は、比較例の円筒形電池の断面図である。なお、図５（Ａ）および図５（Ｂ）では、円筒形電池１０の内部の電極体１４等の図示は省略している。

　本実施形態の円筒形電池１０によれば、比較例の円筒形電池に比べて、電極体１４を収容する胴体部２０Ａの外径が大きくなっている。これにより、円筒形電池１０の外装缶２０は、より多くの活物質が充填された外径の大きな電極体１４を収容することができるため、円筒形電池１０の高容量化を実現することができる。

　従来の円筒形電池は、比較例のように胴体部と開口端部が同じ外径を有していた。そのため、電池のサイズアップによる高容量化を図る場合、胴体部の外径とともに開口端部の外径も大きくしていた。ところが、開口端部に合わせて封口体の外径も大きくすると、封口体を外装缶にかしめる際のかしめ力や外部衝撃に対する封口体の耐久強度が不足するため、封口体の厚みも大きくする必要があった。

　封口体の厚みを大きくする場合には、封口体を構成する例えば内部端子板、下弁体、絶上弁体またはキャップについても厚みを大きくする必要があり製造コストが嵩む、封口体の重量増加となり円筒形電池の重量増加につながる、封口体の増加した厚み分の電池容量が低下する等の課題が生じる。

　そこで、本実施形態の円筒形電池１０を適用すれば、胴体部２０Ａの外径に比べて小さな開口端部２０Ｂの外径に対応する径の封口体３０を使用することができるため、封口体の厚み増加に伴う円筒形電池の重量増加や容量低下を抑制することができる。このようにして、高容量化しつつも重量の増加を抑制することができる円筒形電池を実現することができる。

　また、本実施形態の円筒形電池１０には次のような効果が発揮される。例えば、円筒形電池の外装缶の外径をφ１８．２ｍｍからφ２０ｍｍに変更する場合であっても、共通の封口体およびガスケットを使用することができる。電極体１４の上側に配置された絶縁板１８も共通のものを使用してもよい。図３に示すステップＳ２２において共通のかしめ金型を使用することもできる。そのため、製造工程において外装缶の外径の変更に伴う製造装置の切り替えの簡略化が可能となるため、製造コストを低減することができる。

　なお、本発明は上述した実施形態およ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、１１　正極、１２　負極、１３　セパレータ、１４　電極体、１５　正極リード、１６　負極リード、１８　絶縁板、１９　絶縁板、２０　外装缶、２０Ａ　胴体部、２０Ｂ　開口端部、２０Ｃ　溝入部、３０　封口体、３１　内部端子板、３２　下弁体、３３　絶縁部材、３４　上弁体、３５　キャップ、３５Ａ　通気孔、３９　ガスケット、５１　縮径金型

Claims

　正極および負極がセパレータを介して巻回された電極体と、電解質と、前記電極体および前記電解質を収容する有底円筒状の外装缶と、前記外装缶の開口端部にかしめ固定された封口体と、を有する円筒形電池であって、
　前記外装缶において、前記電極体を収容する胴体部の外径は、２０ｍｍ以上であって、
　前記封口体を収容する前記開口端部の外径は、前記胴体部の外径よりも小さい、
　円筒形電池。
　請求項１記載の円筒形電池であって、
　前記開口端部の外径は、前記胴体部の外径よりも２％以上小さい、
　円筒形電池。