WO2023153194A1

WO2023153194A1 - 円筒形電池およびその製造方法

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Publication number: WO2023153194A1
Application number: PCT/JP2023/002060
Authority: WO
Inventors: 修二杉本
Original assignee: パナソニックエナジー株式会社
Priority date: 2022-02-09
Filing date: 2023-01-24
Publication date: 2023-08-17

Abstract

円筒形電池（１０）は、電極体（１４）を収容する有底筒状の外装缶（１６）と、外装缶（１６）の開口部を封止する封口体（１７）とを備え、封口体（１７）は、弁体（２６）と端子板（２５）とを有し、弁体（２６）は、電池内圧上昇時に電池上方に変形することにより端子板（２５）から離間する中央部の弁部（２６ａ）と、前記外装缶（１６）の開口部にかしめ固定される外周部（２６ｂ）とを有し、弁部（２６ａ）の下面位置と外周部（２６ｂ）の下面位置が同一面上に配置されている。

Description

円筒形電池およびその製造方法

　本開示は、円筒形電池およびその製造方法に関する。

　リチウムイオン二次電池は、軽量で、起電力が高く、高エネルギー密度であるという特徴を有しており、携帯電話やデジタルカメラ、ビデオカメラ、ノート型パソコンなどの様々な種類の携帯型電子機器や移動体通信機器の駆動用電源としての需要が拡大している。

　駆動用電源として使用されるリチウムイオン二次電池は機器本体へ組み込まれる場合、複数の電池が直列または並列に接続され、それぞれの電池にＰＴＣ等の安全素子が取り付けられる。通常、電池の正極端子側や負極端子となる外装缶にリード板や安全素子が溶接される。従来は抵抗溶接に代表される、外部から加圧と電圧を付加する溶接方法が主流であった。

　特許文献１には、電流遮断機構を有した弁体が正極端子機能と共通化されている円筒形電池が記載されている。

国際公開第２０１６／１５７７４９号

　近年採用され始めてきたワイヤーボンディングのような高周波の振動による金属拡散溶接による溶接方法においては、弁体が極端に上、又は、下に反ってしまうことがあり、電流遮断機構（以下、ＣＩＤ機構という）の作動圧や弁体が破断するベント圧が不安定となり封口体の機能損失につながるおそれがある。

　本開示の目的は、金属拡散溶接した際にも、封口体の弁体の反りが小さく、ＣＩＤ機構の作動圧や弁体が破断するベント圧の異常を抑制可能な円筒形電池を提供することである。

　本開示に係る円筒形電池は、電極体を収容する有底筒状の外装缶と、外装缶の開口部を封止する封口体とを備え、封口体は、弁体と端子板とを有し、弁体は、電池内圧上昇時に電池上方に変形することにより端子板から離間する中央部の弁部と、外装缶の開口部にかしめ固定される外周部とを有し、弁部の下面位置と外周部の下面位置が同一面上に配置されていることを特徴とする。

　本開示に係る円筒形電池は、金属拡散溶接した際にも、封口体の弁体の反りが小さく、ＣＩＤ機構の作動圧や弁体が破断するベント圧の異常が抑制される。

実施形態の円筒形電池の断面図である。実施例１の円筒形電池の封口体の拡大断面図である。比較例１の円筒形電池の封口体の拡大断面図である。

　以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下の説明において、具体的な形状、材料、方向、数値等は、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、仕様等に合わせて適宜変更することができる。また、以下で説明する実施形態および変形例の構成要素を選択的に組み合わせることは当初から想定されている。

　以下、図面を参照しながら、本開示に係る円筒形電池の実施形態の一例について詳説する。図１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１に示すように、円筒形電池１０は、底面部１６ａおよび側面部１６ｂを含む有底円筒状の外装缶１６と、外装缶１６の開口を塞ぐ封口体１７、外装缶１６と封口体１７の間に介在するガスケット１８とを備える。また、円筒形電池１０は、外装缶１６に収容される電極体１４および電解質を備える。電極体１４は、正極１１と、負極１２と、セパレータ１３とを含み、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構造を有する。

　本明細書では、説明の便宜上、外装缶１６の軸方向に沿った方向を「縦方向または上下方向」とし、円筒形電池１０の封口体１７側（外装缶１６の開口側）を上、外装缶１６の底面部１６ａ側を下とする。

　正極１１は、正極芯体と、当該芯体の少なくとも一方の面に形成された正極合剤層とを有する。正極芯体には、アルミニウム、アルミニウム合金など、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。正極合剤層は、正極活物質、アセチレンブラック等の導電剤、およびポリフッ化ビニリデン等の結着剤を含み、正極芯体の両面に形成されることが好ましい。正極活物質には、例えばリチウム遷移金属複合酸化物が用いられる。

　負極１２は、負極芯体と、当該芯体の少なくとも一方の面に形成された負極合剤層とを有する。負極芯体には、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などを用いることができる。負極合剤層は、負極活物質、およびスチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）等の結着剤を含み、負極芯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などが用いられる。

　電解質は、水系電解質であってもよく、非水電解質であってもよい。また、液体電解質、固体電解質のいずれであってもよい。本実施形態では、非水電解質を用いるものとする。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。非水溶媒としては、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種以上の混合溶媒を用いることができる。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。電解質塩には、例えば、ＬｉＰＦ_６等のリチウム塩が用いられる。

　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１９、２０を備える。図１に示す例では、正極１１に接続された正極タブ２１が絶縁板１９の貫通孔を通って封口体１７側に延び、負極１２に接続された負極タブ２２が絶縁板２０の外側を通って外装缶１６の底面部１６ａ側に延びている。正極タブ２１は封口体１７の底板である端子板２５に溶接等で接続され、端子板２５と電気的に接続された封口体１７の弁体２６が正極外部端子となる。負極タブ２２は外装缶１６の底面部１６ａの内面に溶接等で接続され、外装缶１６が負極外部端子となる。

　外装缶１６は、軸方向一端（上端）が開口した金属製容器であって、底面部１６ａが円板状を呈し、側面部１６ｂが底面部１６ａの外周縁に沿って円筒状に形成されている。封口体１７は、外装缶１６の開口の形状に対応する円板状に形成されている。ガスケット１８は、樹脂製の環状部材であって、電池内部の密閉性を確保すると共に、外装缶１６および封口体１７の電気的な絶縁を確保する。

　外装缶１６には、開口の縁部が内側に曲げられ、ガスケット１８を介して封口体１７を押え付けるかしめ部３１が形成されている。また、外装缶１６には、側面部１６ｂが外側から内側に張り出して形成され、ガスケット１８を介して封口体１７を支持する溝入部３０が形成されている。溝入部３０は、側面部１６ｂの外側からのスピニング加工により、外装缶１６の周方向に沿って環状に形成される。

　かしめ部３１は、外装缶１６の開口縁部（上端部）を内側に折り曲げて形成され、封口体１７およびガスケット１８を介して溝入部３０と対向し、溝入部３０と共に封口体１７を挟持する。かしめ部３１は、溝入部３０と同様に、外装缶１６の周方向に沿って環状に形成され、ガスケット１８を介して封口体１７の周縁部を上から押え付けている。

　封口体１７は、ＣＩＤ機構を備えた円板状の部材である。封口体１７は、電極体１４側から順に、端子板２５、絶縁板２７、および弁体２６が積層された構造を有する。端子板２５は、正極タブ２１が接続される環状部２５ａ、および電池の内圧が所定の閾値を超えたときに環状部２５ａから切り離される薄肉の中央部２５ｂを含む金属板である。

　弁体２６は、絶縁板２７を挟んで端子板２５と対向配置される。絶縁板２７には、径方向中央部に開口２７ａが形成されている。弁体２６は、電池の内圧が所定の閾値を超えたときに破断する弁部２６ａと、外周方向にかしめ部３１にかしめられる外周部２６ｂを有している。弁部２６ａは、絶縁板２７の開口２７ａを介して端子板２５の中央部２５ｂと溶接等で接続されている。絶縁板２７は、環状部２５ａと弁部２６ａの中央部２５ｂとの接続部分以外の部分を絶縁している。

　弁部２６ａは、電池の内側に凸の下凸部、および下凸部の周囲に形成された薄肉部を含み、弁体２６の径方向中央部に形成されている。円筒形電池１０では、正極タブ２１が接続された端子板２５と、弁体２６とが電気的に接続されることで、電極体１４から弁体２６につながる電流経路が形成される。電池に異常が発生して内圧が上昇し、ＣＩＤ機構の作動圧を超えると、端子板２５が破断して中央部２５ｂが環状部２５ａから切り離され、弁部２６ａが電池の外側に向かって凸となるように変形する。これにより、電流経路が遮断される。電池の内圧がさらに上昇しベント圧を超えると、弁部２６ａが破断してガスの排出口が形成される。

　このようにＣＩＤ機構の作動圧およびベント圧に影響するため、封口体１７の下部と電極体１４との間の寸法を所定範囲に管理することが重要となる。本開示の円筒形電池１０においては、円筒形電池１０の軸方向における弁体２６の弁部２６ａの下面と外周部２６ｂの下面の距離を同一面に保つことで、ＣＩＤ機能の作動圧およびベント圧への影響を小さくしている。尚、本開示において、同一面とは完全に一致することを意味するものではなく、製造バラツキを考慮して０．５ｍｍの範囲であれば同一面とする。

　本開示の円筒形電池１０は、電極体１４を収容する有底筒状の外装缶１６と、外装缶１６の開口部を封止する封口体１７とを備え、封口体１７は、弁体２６と端子板２５とを有し、弁体２６は、電池内圧上昇時に電池上方に変形することにより端子板２５から離間する中央部の弁部２６ａと、外装缶１６の開口部にかしめ固定される外周部２６ｂとを有し、弁部２６ａの下面位置と外周部２６ｂの下面位置が同一面上に配置されていることを特徴としている。

　外部リードを正極外部端子に接続する際には、外部リードを弁部２６ａの上面に超音波溶接される。このとき、外部リードは弁部２６ａの上面に押し付けられた状態で、押圧方向（軸方向）に直交する方向に高周波の振動が加えられる。この際に、封口体１７は溝入部３０により支持されているため、超音波溶接時に荷重のかかる弁体２６の弁部２６ａの下面位置が封口体１７の支持部より下の方に位置していると、縦方向の荷重により弁体２６の変形が生じやすくなる。さらに弁体２６の弁部２６ａの下面位置と、外周部２６ｂの下面位置とが、押圧方向においてずれていると、横方向の弁体２６の変形が生じ、弁体２６の反りが発生しやすい。この理由は、弁部２６ａの下面位置と、外周部２６ｂの下面位置とがずれている場合、外周部２６ｂから弁部２６ａ中央部までの距離が長くなるため、横方向の振動に対して弁体２６の変形が生じやすいためである。

　本開示の円筒形電池１０は、外周部２６ｂの下面位置と弁部２６ａの下面位置が同一面であるため、縦方向の荷重に対して強度を有しており、また外周部２６ｂから弁部２６ａ中央部までの距離は短い。そのため、金属拡散溶接における横方向の振動に対して弁体２６が変形しにくくなる。

　本開示の円筒形電池１０は、上記の構成を有することによって、金属拡散溶接した際にも、封口体１７の弁部２６の反りを小さくでき、ＣＩＤ機構の作動圧や弁体２６が破断するベント圧の異常を抑制することができる。

　次に実施例によって、本開示の円筒形電池１０の詳細について更に説明する。

　＜実施例１＞
　以下に示す要領で、実施例１の円筒形電池を作成した。図２に実施例１で作製した封口体１７の拡大断面図を示す。

　（正極の作製）
　正極１１を次のようにして作製した。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した。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た。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した。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を形成した。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た。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した。最後に、正極集電体露出部に正極タブ２１を接続した。正極活物質として、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た。

　（負極の作製）
　負極１２を次のようにして作製した。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した。結着剤にはスチレンブタジエン（ＳＢＲ）共重合体又はポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を、分散媒には水を用いた。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した。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を形成した。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を設けた。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した。最後に、負極集電体露出部に負極タブ２２を接続した。

　負極活物質として、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た。

　セパレータ１３として、ポリエチレン（ＰＥ）を主成分とする微多孔膜を用いた。

　（非水電解質の作製）
　エチレンカーボネート（ＥＣ）と、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）と、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）を、３：３：４の体積比で混合した。当該混合溶媒に、ＬｉＰＦ_６を１．２ｍｏｌ／Ｌの濃度となるように溶解させて非水電解質を作製した。

　（電極体の作製）
　正極１１と負極１２とセパレータ１３を介して互いに絶縁された状態に巻回し、最外周にポリプロピレン製のテープを貼りつけて円筒状の電極体１４を作製した。

　（電池の作製）
　図１に示すように、電極体１４の下部に絶縁板２０を配置し、電極体１４を外装缶１６へ挿入した。負極タブ２２は外装缶１６の底部に抵抗溶接により接続した。次に、電極体１４の上部に絶縁板１９を配置し、外装缶１６の開口部の近傍に幅１．０ｍｍ、深さ１．５ｍｍのＵ字状の溝入部３０を円周方向に塑性加工によって形成した。そして、正極タブ２１を端子板２５とレーザー溶接により接続し、外装缶１６に形成された溝入部３０にガスケット１８を介して封口体１７をかしめ固定することにより円筒形電池１０を作製した。

　（封口体の作製）
　弁体２６および端子板２５を金属板のプレス加工により作製した。弁体２６および端子板２５にはアルミニウムを用いた。なお弁体２６を作製する際に、弁部２６ａの下面と外周部の下面が同一面となるように製作をしている。プレス加工により、弁体２６の中央部と外周部に突起部を形成し、中央部の突出部の周囲に環状の薄肉部２６ｃを形成した。この薄肉部２６ｃはＣＩＤ機構の作動後に電池内圧がさらに上昇した場合に弁部２６ａが破断する起点となるものである。そして端子板２５の中央部には厚みの薄い領域を形成し、その領域内に平面形状が環状で断面形状がＶ字状の薄肉部２５ｃを形成した。また、端子板２５には通気孔としての開口を設けた。薄肉部２５ｃはＣＩＤ機構の作動圧が２．５ＭＰａとなるように残肉厚みを調整した。

　絶縁板２７は熱可塑性樹脂であるポリプロピレンの熱成型により作製した。

　上記のようにして作製した弁体２６の外周部２６ｂの突起部の一部を折り曲げることにより、絶縁板２７を加圧して、絶縁板２７と端子板２５を固定することで、弁体２６、絶縁板２７、および端子板２５を互いに固定した。その際、弁部２６ａの中央部の突起を端子板２５の中央部の厚みが薄い領域に当接して、端子板２５側からレーザーを照射して弁部２６ａと端子板２５を溶接した。

　弁体２６の外周面を基準としたときに、弁部２６ａの下面と外周部２６ｂの下面の距離ｄが上下方向に０.５ｍｍ以内に収まっていれば、同一面と考えることができる。０.５ｍｍとしたのは、部品の加工精度と電池の加工精度、ばらつきを考慮した上でかつ超音波溶接に影響の出ない範囲のためである。なお、実施例1における弁部２６ａの下面と外周部２６ｂの下面の距離ｄは０.２ｍｍであった。

　＜実施例２＞
　以下に示す要領で、実施例２の円筒形電池を作製した。

　弁体２６作製時は弁部２６ａの下面と外周部２６ｂの下面は同一面になっていないが、外装缶１６に形成された溝入部３０にガスケット１８を介して封口体１７をかしめ固定する際に、かしめ固定寸法を調整することにより、弁体２６の弁部２６ａの下面と外周部２６ｂの下面を同一面とするように電池を作製した。上記封口体１７を用いる以外は実施例１と同様に電池の作製を行った。なお、実施例２における弁部２６ａの下面と外周部２６ｂの下面の距離ｄは０.２ｍｍであった。実施例２で作成した封口体１７の拡大断面図は図２と同様となった。

　＜比較例１＞
　以下に示す要領で、比較例１の円筒形電池を作成した。図３に比較例１で作製した封口体１７の拡大断面図を示す。

　弁体２６作製時に弁部２６ａの下面と外周部２６ｂの下面を同一面にせず、且つ、外装缶１６に形成された溝入部３０にガスケット１８を介して封口体１７をかしめ固定する際に、かしめ固定寸法を調整することなく、弁体２６の弁部２６ａの下面と外周部２６ｂの下面が同一面にならないように電池を作製した。上記封口体を用いる以外は実施例１と同様に電池の作製を行った。比較例１における弁部２６ａの下面と外周部２６ｂの下面の距離ｄは０.７ｍｍであった。

　＜実験＞
　上記の円筒形電池を各実施例１、２と比較例１につき５個ずつ作製した後、封口体に超音波溶接による加振を行った。加振条件は下記に示す通り、通常条件と、通常条件よりも溶接強度が強くなる上限条件の２種類を行った。加振を行った後の円筒形電池のＣＩＤ作動圧異常とベント圧の異常の有無について確認した。結果を表１、表２にまとめる。

　＜加振条件＞
　通常条件：加圧１８Ｎ、電圧５．８Ｖ、時間１４０ｍｓｅｃ
　上限条件：加圧１８Ｎ、電圧６．０Ｖ、時間１７０ｍｓｅｃ

　＜評価＞
　表１、表２から明らかなように、実施例１、２の円筒形電池は、通常条件および上限条件の何れの加振後もＣＩＤ作動圧、ベント圧の異常は見られなかった。実施例１、２の円筒形電池１０は、超音波溶接による加振によっても、弁体２６の反りが抑制され、ＣＩＤ機能の作動圧およびベント圧の異常が見られなかったものと考えられる。これに対して、比較例１の一部の円筒形電池には、上限条件の加振後に、ＣＩＤ作動圧およびベント圧の異常が見られた。このことから、比較例１の円筒形電池は、超音波溶接による加振によって、弁体に反りが発生して、ＣＩＤ作動圧およびベント圧に異常が発生したものと考えられる。従って、実施例１、２の円筒形電池は、弁部２６ａの下面と外周部２６ｂの下面の距離ｄを同一面にすることにより、超音波溶接時に発生する外部振動に対して、封口体１７の弁体２６の反り等の変形の抑制効果を有している。これによって、ＣＩＤ機能の作動圧およびベント圧が設計値通りに機能し、封口体１７の機能損失に至らないことがわかる。

　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、１６　外装缶、１６ａ　底面部、１６ｂ　側面部、１７　封口体、１８　ガスケット、１９　絶縁板、２０　絶縁板、２１　正極タブ、２２　負極タブ、２５　端子板、２５ａ　環状部、２５ｂ　中央部、２５ｃ　薄肉部、２６　弁体、２６ａ　弁部、２６ｂ　外周部、２６ｃ　薄肉部、２７　絶縁板、２７ａ　開口、３０　溝入部、ｄ　弁部下面位置と外周部下面位置の距離

Claims

　電極体を収容する有底筒状の外装缶と、
　前記外装缶の開口部を封止する封口体と、
　を備え、
　前記封口体は、弁体と端子板とを有し、
　前記弁体は、電池内圧上昇時に電池上方に変形することにより前記端子板から離間する中央部の弁部と、前記外装缶の開口部にかしめ固定される外周部とを有し、
　前記弁部の下面位置と前記外周部の下面位置が同一面上に配置されている、
　円筒形電池。
　前記同一面とは、前記弁部の下面位置と前記外周部の下面位置の軸方向における距離が、０．５ｍｍ以内である、
　請求項１に記載の円筒形電池。
　電極体を収容する有底筒状の外装缶と、
　前記外装缶の開口部を封止する封口体と、
　を備え、
　前記封口体は、弁体と端子板とを有し、
　前記弁体は、電池内圧上昇時に電池上方に変形することにより前記端子板から離間する中央部の弁部と、前記外装缶の前記開口部にかしめ固定される外周部とを有する円筒形電池の製造方法であって、
　前記封口体を前記外装缶の開口部に挿入するステップと、
　前記封口体をかしめるステップと、を有し、
　前記封口体をかしめるステップは、前記弁部の下面位置と前記外周部の下面位置が同一面上に配置されるように、かしめ固定寸法を調整するステップを有する、
　円筒形電池の製造方法。
　前記同一面とは、前記弁部の下面位置と前記外周部の下面位置の軸方向における距離が、０．５ｍｍ以内である、
　請求項３に記載の円筒形電池の製造方法。