JP4424773B2 - 密閉式電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、密閉式電池に関し、特に電池外装缶の開口部を封口する封口蓋にガス放出弁が形成されている密閉式電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯用の電話，ＡＶ機器，コンピュータといった携帯用機器に使用するバッテリ電源として、ニッケル−水素蓄電池、ニッケル−カドミウム蓄電池などのアルカリ蓄電池やリチウムイオン蓄電池をはじめとする密閉式電池が広く用いられている。
【０００３】
密閉式電池の形状として、円筒形や角形などが一般的であるが、特に角形密閉式電池は、携帯機器に搭載するに際してスペース効率が優れている点で注目されている。
これらの密閉式電池では、金属製の板体からなる筒形の外装缶内に、正極・負極からなる電極体に電解液が含浸された発電素体が収納され、外装缶の開口部が封口蓋で封口されており、封口板と外装缶開口部との間は、電解液やガスが漏出するのを防止するよう封止されている。この封止は、機械式かしめ法で行われることも多いが、角形密閉式電池の場合などには、レーザ溶接による封止が多く行われている。
【０００４】
電池のエネルギー密度を高くするために、外装缶に収納される発電素体は外装缶内部の大部分を占めるよう封口蓋と発電素体との間隔はかなり狭く設計されている。また金属製の板体として、従来からニッケルメッキ鋼板やステンレス鋼板などが多く用いられているが、アルミニウム合金板を用いて軽量化した電池も開発されいる。
【０００５】
ところで、このような密閉式電池においては、通常、電池の内圧が一定のレベルまで上昇したときにガスを外に放出するガス放出弁が封口蓋や外装缶に装着されている。
密閉式電池に装着されるガス放出弁として、アルカリ蓄電池などでは、封口蓋や外装缶に開設されたガス放出口をバネなどで弁体を押さえつけた回復可能型の弁が多く用いられているが、高い気密性が要求される非水電解液電池では、特開平６−６８８６１号公報に記載されているように、金属板からなる封口蓋にガス放出口を開設し、そこを蔽うように薄膜（ラプチャー）を取り付けた回復不可能型の弁が多く用いられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に密閉式電池においては、携帯機器を落下させたときの安全性を考慮して、電池を落下させてもリークが発生しないという性能が要求されるが、上記回復不可能型のガス放出弁を封口蓋に設けた電池においては、落下テストを行うと薄膜が破損するものがしばしば見られる。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであって、封口蓋にガス放出口が開設され、そのガス放出口が薄膜で閉塞されてガス放出弁が形成されている密閉式電池において、電池を落下しても薄膜が破損しにくいものを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、封口蓋にガス放出口が開設され、そのガス放出口が薄膜で閉塞されてガス放出弁が形成されている密閉式電池において、外装缶内における薄膜と発電素体との間に、液滴が通過するのを防止することのできる遮蔽部材を、外装缶内部からガス放出口へのガス抜け道を確保した状態で介挿させた。
【０００９】
ここで、「外装缶内部からガス放出口へのガス抜け道を確保した状態」というのは、外装缶内部の圧力が、薄膜からなるガス放出弁の作動圧まで上昇したときに、内部空間内のガスがガス放出口から抜け出るのを、遮蔽部材が妨げることがないような状態をいう。
本発明は、以下のような知見に基づいてなされたものである。
【００１０】
本発明者等は、薄膜からなるガス放出弁を封口蓋に設けた従来の密閉式電池において、電池落下時に薄膜が破損する原因を探ったところ、電池を落下させた時の衝撃で、発電素体に含浸されている電解液が液滴となって封口蓋側に飛び出し、上述したように封口蓋と発電素体との間の間隔はかなり狭く設定されているため、発電素体の薄膜と対向する面から飛び出した液滴が薄膜を直撃することによって薄膜が破損するということがわかった。
【００１１】
そこで、本発明では上記のように電池内に遮蔽部材を設けることとし、これによって、発電素体の薄膜と対向する面から飛び出した液滴が薄膜に衝突するのを防止するようにした。なお、この遮蔽部材は、外装缶内部からガス放出口へのガス抜け道を確保した状態で設けられているので、遮蔽部材によってガス放出機能が妨げられることはない。
【００１２】
ところで、薄膜の破損は、発電素体から液滴が飛び出して薄膜を垂直に直撃する場合に生じやすいことを考慮すると、上記の遮蔽部材は、少なくとも、発電素体から電解液液滴が飛び出して薄膜を垂直に直撃するのを防止するように設けることが好ましい。
また、上述したように封口蓋と発電素体との間の間隔はかなり狭く設定されているため、外装缶内からガス放出口へのガス抜け道を確保しながら遮蔽部材を設けるためには、遮蔽部材を平板状とし、薄膜と平行に設けることが好ましい。
【００１３】
また、密閉式電池においては、発電素体と封口蓋との間に、両者の電気的接触を防止する絶縁部材が介挿されている場合が多いが、この場合、この絶縁部材に遮蔽部材を取り付けることによって、遮蔽部材の設置を容易に行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（電池の全体構成）
図１は、本実施の形態に係る角形密閉式電池の斜視図であり、図２は、図１におけるＡ−Ａ’線断面図である。
この角形密閉式電池は、リチウム二次電池であって、有底角筒形の外装缶１０の内部に、渦巻電極体２０に非水電解液が含浸された発電素体が収納され、外装缶１０の開口部を封口蓋３０で封口した構造である。
【００１５】
外装缶１０は、Ａｌ−Ｍｎ系合金の板が有底角筒形に成形されたものである。このＡｌ−Ｍｎ系合金は、アルミニウムを主成分としているため軽量であり、またマンガンが添加されていることにより、アルミニウム単体と比べて引っ張り強度が大きい。
図１に示すように、封口蓋３０は、外装缶１０の開口部に填まり込むよう長方形状に成形された封口板３１に、負極端子３２が、ガスケット３３を介して貫通して取り付けられ、封口板３１の内面側に絶縁性樹脂からなる絶縁板３４が取り付けられて構成されている。この絶縁板３４は、電極体２０と封口板３１との間に介在することにより、電極体２０と封口板３１との接触を防止するもので、その詳細な構成については後述する。
【００１６】
封口板３１は、外装缶１０の材料と同じアルミニウム合金からなる板が、外装缶１０の開口部と同じ長方形状に成形されたものであって、封口板３１の外周部は、電池の外方に折り曲げられて立ち上げ部３１０が形成されている。そして、この立ち上げ部３１０と外装缶１０の開口縁部１１とが、レーザ溶接によって封止されている。
【００１７】
外装缶１０や封口板３１の厚さは、容量をできるだけ大きくすることを考慮して、必要な強度を維持できる範囲内で、できるだけ薄く設定する。一般的には、外装缶１０の厚さを０．５ｍｍ程度に設定し、封口板３１には、負極端子３２が装着されるときに変形しないように、その厚さを０．８ｍｍ程度に設定する。
負極端子３２は、キャップ３２０と円筒状のスリーブ部３２１とからなり、キャップ３２０内には、スリーブ部３２１の開口端を封止するためのゴム板３２２が収納されている。
【００１８】
封口板３１の中央部には、負極端子３２のスリーブ部３２１を貫通させるための貫通孔３１３が形成されており、封口板３１の外面側における貫通孔３１３の周りは、負極端子３２のキャップ３２０が填まり込むように切り欠き部３１４が形成されている。
負極端子３２のスリーブ部３２１には、電池の内方に突出する突出部３５ａ及びベース部３５ｂからなる集電板３５が接続されている。これらの絶縁板３４及び集電板３５は、負極端子３２のスリーブ部３２１でかしめ圧着されて封口板３１に固定されており、負極端子３２及び集電板３５は、ガスケット３３及び絶縁板３４によって封口板３１と絶縁された状態となっている。
【００１９】
封口板３１の一端寄りには、ガス放出弁３６が取り付けられている。このガス放出弁３６は、封口板３１に開設された円形のガス放出口３６０を塞ぐように、薄膜３６１が貼りつけられて構成されている。薄膜３６１としては、気密性，耐圧強度並びに耐熱性の点から圧延金属箔を用いることが好ましく、特に封口板３１に用いる金属板と同様の材料からなる金属箔であることが好ましい。互いに材料が異なると、局部電池が形成され腐蝕が生じやすくなるためである。金属箔の厚さは、必要な作動圧に応じて定めるが、通常は２０〜３０μｍ程度のものを用いる。
【００２０】
薄膜３６１の貼り付けは、薄膜３６１をリング３６２にクラッド化し、これをガス放出口３６０の縁に溶接することによってなされる。
電極体２０は、負極板２１と正極板２２とがセパレータ２３を介して積層され断面楕円状に卷回されたものである。
負極板２１は、層状カーボン（グラファイト粉末）が板状の芯体に塗着されたものであって、上記集電板３５の突出部３５ａとリード板２４で接続されている。一方、正極板２２は、正極活物質としてのリチウム含有酸化物（例えばコバルト酸リチウム）と導電剤（例えばアセチレンブラック）とからなる正極合剤が、板状の芯体に塗着されたものであって、正極端子兼用の外装缶１０と直接接触して電気的に接続されている。
【００２１】
電極体２０に含浸される非水電解液は、例えば、エチレンカーボネート及びジメチルカーボネートからなる混合溶媒に、溶質としてのＬｉＰＦ₆を溶解したものである。
（絶縁板３４の詳細な構成について）
図３は、封口蓋３０を電池内方側から見た時の斜視図である。
【００２２】
絶縁板３４は、封口板３１より若干小サイズの長方形状板体であって、その中央部３４ａは集電板３５が装着できるように厚さが小さく設定され、中心部に上記スリーブ部３２１が填まり込む貫通孔が穿設されている。絶縁板３４の両側部３４ｂ，３４ｃは、電極体２０と集電板３５との接触を防止するように厚さが大きく（即ち、集電板３５の突出部３５ａよりも両側部３４ｂ，３４ｃの方が電池内方に突出するよう）設定されている。
【００２３】
そして、ガス放出口３６０に臨んでいる側部３４ｂには、電池内部からガス放出口３６０へのガスの流通路を確保するために、ガス放出口３６０とほぼ同等の大きさの円形断面を持つ円柱状の通気孔３４１が穿設されている。
この通気孔３４１は、側部３４ｂのガス放出口３６０側から電極体２０の手前まで穿設されており、側部３４ｂの電極体２０側端部に設けられた円板状の遮蔽板３４２によって遮蔽されている。言い換えれば、通気孔３４１は、ガス放出口３６０と電極体２０との間を、直線的に側部３４ｂを貫通しているが、遮蔽板３４２によって電極体２０の手前で遮蔽されている。
【００２４】
更に、側部３４ｂには、電池内部から通気孔３４１へのガス（図中、白抜矢印で示す）の抜け道（バイパス）として、遮蔽板３４２の外側と通気孔３４１とを連通する通気溝３４３ａ、３４３ｂが穿設されている。なお、通気溝３４３ａは、通気孔３４１と中央部側の空間とを連通させるバイパス、通気溝３４３ｂは、通気孔３４１と端部側の空間とを連通させるバイパスである。
【００２５】
（電池の製造方法）
上記角形密閉式電池の製造方法について説明する。
外装缶１０は、Ａｌ−Ｍｎ系合金の平板に深絞り加工を施して有底角筒形に成型することにより作製することができる。
封口板３１は、Ａｌ−Ｍｎ系合金の平板を用いて、これに絞り加工を施すことによって立ち上げ部３１０を形成すると共に、切り欠き部３１４に相当する凹みを鍛造加工で形成し、立ち上げ部３１０の端縁、負極端子用貫通孔３１３及びガス放出口３６０を打ち抜くことによって作製することができる。
【００２６】
そして、この封口板３１にガス放出弁３６を形成する。ガス放出弁３６は、アルミニウム箔をアルミニウム製のリング３６２に圧接してクラッド化し、これをガス放出口３６０に填め込み、レーザ溶接で接合することによって形成することができる。
絶縁板３４は、非水電解液に対して耐久性を有する樹脂（例えばポリプロピレン）を用いて、射出成型することにより、遮蔽板３４２のところも合わせて一体で成型することができる。
【００２７】
封口蓋３０は、上記のように作製した封口板３１に、絶縁板３４及び集電板３５を重ね合わせ、封口板３１の貫通孔３１３にガスケット３３を填めこみ、これに負極端子３２のスリーブ部３２１を填めこんで、封口板３１、絶縁板３４、集電板３５をまとめてスリーブ部３２１でかしめ圧着することにより作製することができる。
【００２８】
渦巻電極体２０は、リード板２４付きの帯状の負極板２１を帯状のセパレータ２３で覆い、これと帯状の正極板２２とを積層させ、卷回した後、断面が楕円形状となるよう偏平に押しつぶすことによって作製することができる。
このようにして作製した外装缶１０、封口蓋３０、電極体２０を用いて、以下のように電池を組み立てる。
【００２９】
電極体２０を、外装缶１０の中に挿入すると共に、負極リード板２４を集電板３５の突出部３５ａに溶接して電気的に接続する。
次に、封口蓋３０を外装缶１０の開口部に圧入して填め込み、封口蓋３０の立ち上げ部３１０と外装缶１０の開口縁部１１とを、両者の境界に沿ってレーザ光を照射しながら走査することによって溶接を行う。
【００３０】
なお、封口板３１に立ち上げ部３１０を形成しないでその外周部をレーザ溶接すると、溶接箇所から封口板中央部への伝熱による放熱が大きいためレーザ照射のエネルギーを低くすると溶接部においてクラックが発生しやすいが、本実施形態のように封口板３１に立ち上げ部３１０を形成してこの部分をレーザ溶接を行うと、溶接箇所から封口板中央部への直線的な伝熱経路がなくなるので、溶接箇所からの放熱が低減されることになる。従って、溶接箇所に発生する熱応力が低減されるので、レーザ照射のエネルギーを低くしても溶接部におけるクラックの発生を抑えることができる。
【００３１】
次に、電解液注入用のノズルを用いてスリーブ部３２１から非水電解液を外装缶１０の内部に注入する。
そして、スリーブ部３２１の開口端にゴム板３２２を圧着させながらキャップ３２０をスリーブ部３２１に溶接することによって、負極端子３２の頭部を作製する。
【００３２】
（本実施の形態の効果）
本実施の形態のように、遮蔽板３４２を設けることによって得られる効果について説明する。
電池を落下させて床に衝突する時の衝撃で、電極体２０に含浸されている非水電解液が押し出されて、電極体２０の封口板３１側の面から液滴として飛び出す。
【００３３】
ここで、仮に遮蔽板３４２がなかったとすれば、通気孔３４１は、電極体２０の薄膜３６１との間を垂直方向に貫通することになる。また、電極体２０と薄膜３６１の間隔はかなり狭いので、落下を何度か繰り返すうちに、電極体２０の薄膜３６１と対向する面から飛び出した液滴が、通気孔３４１を通って薄膜３６１を垂直に強く直撃する可能性は高い。そして、このように液滴が薄膜３６１を強く直撃すると、薄膜３６１は破損する。
【００３４】
これに対して、本実施の形態のように、電池内に遮蔽板３４２を設けると、電池落下時に電極体２０の薄膜３６１と対向する面から液滴が飛び出そうとしても、あるいは飛び出したとしても、遮蔽板３４２が介在することによって、液滴が薄膜３６１に衝突する可能性はほとんど無く、特に、液滴が薄膜３６１に垂直に直撃する可能性はなくなる。従って、電池落下を繰り返しても、薄膜３６１が破損する可能性は低い。
【００３５】
また、通気溝３４３ａ，３４３ｂによって通気孔３４１と電池内部との間のガスの抜け道（バイパス）が確保されており、且つ、遮蔽板３４２は、絶縁板３４の電極体２０側に、即ち薄膜３６１から距離をおいて薄膜３６１と平行に設けられているため、上記通気溝３４３ａ，３４３ｂにおけるガス流通路の断面積を十分確保することが可能である。従って、ガス放出弁３６のガス放出機能が遮蔽板３４２で妨げられることにはならない。
【００３６】
遮蔽板３４２が絶縁板３４に取り付けられているので、絶縁板３４を電池に組み込むことによって、遮蔽板３４２も組み込まれることになる。従って遮蔽板３４２の設置を容易に行うことができる。
本実施の形態では、遮蔽板３４２が絶縁板３４と一体で成型されているので、絶縁板３４に遮蔽板３４２を装着する手間も不要である。
【００３７】
（変形例、その他の事項）
本実施の形態では、遮蔽板３４２が絶縁板３４と一体で成型されているが、遮蔽板３４２を絶縁板３４とは別体で成型し、絶縁板３４に接合して装着するようにしてもよい。
また、遮蔽板は、必ずしも絶縁板に取り付けなくてもよい。例えば、絶縁板３４には遮蔽板３４２を設けず、その代わり絶縁板３４と電極体２０との間に、遮蔽板を挟み込んで通気孔３４１を遮蔽するようにしてもよい。
【００３８】
本実施の形態では、遮蔽板３４２が樹脂からなる緻密な平板で形成されているが、遮蔽板３４２は、液滴が通過するのを防止することができればよいので、例えば網状の部材を用いてもよい。
また、本実施形態では、平板状の遮蔽部材を用いたが、ガス放出口３６０と電極体２０との間を垂直に結ぶ通気孔は遮蔽し、且つガス放出口３６０とと電池内部との間のガスの抜け道を確保することができるならば、遮蔽部材はどのような形状であってもよい。
【００３９】
例えば、図４に示すように、絶縁板３４の側部３４ｂに、ガス放出弁３６側から電極体２０側へ斜めに通気孔３４１ａ，３４１ｂを形成することによって、薄膜３６１と電極体２０の対向面との間に、山形の遮蔽部材３４２が介在するようにしてもよい。この場合、電池落下時に電極体２０の表面から斜めに飛び出した液滴が、通気孔３４１ａ，３４１ｂを通って薄膜３６１を斜めに直撃する可能性はあるが、電極体２０からの液滴が薄膜３６１を垂直に直撃することはない。
【００４０】
本実施の形態では、封口板の材質としてアルミニウム合金を用いる場合について説明したが、封口板の材質としてステンレス等を用いる場合にも本発明は適用可能である。
薄膜３６１の素材としては、電池のタイプによって、ステンレス鋼，ニッケルからなる金属箔、あるいはＰＰやＰＥフィルムなども用いることができる。
【００４１】
本実施の形態では、リチウム二次電池の場合を例にとって説明したが、本発明は、ニッケル−水素電池などの二次電池、あるいは一次電池においても適用可能である。
本実施の形態では、角形密閉式電池について説明を行なったが、円筒形密閉式電池に対しても適用することができる。
【００４２】
【実施例】
〔実施例〕
上記実施の形態に基づいて、（高さ４８ｍｍ×幅３０ｍｍ×厚さ１０ｍｍ）サイズの角形密閉式電池を作製した。
封口板３１は、厚さ約０．８ｍｍのアルミニウム合金板を用いて作製し、ガス放出口３６０の径は３ｍｍ、薄膜３６１は厚み３０μｍのアルミ箔を用いた。
【００４３】
〔比較例〕
本比較例の角形密閉式電池は、絶縁板３４に遮蔽板３４２を設けていない以外は、上記実施例の電池と同様の構成である。
〔実験〕
上記実施例及び比較例の電池について、落下テストを行った。テスト方法は、各電池を１００個づつ作製し、各電池を下向きにして１．５ｍの高さからコンクリートの上に１００回落下させ、薄膜が破損したものの数を調べた。
【００４４】
その結果は、表１に示す通りである。
【００４５】
【表１】

【００４６】
表１から明らかなように、比較例の電池では高い割合で薄膜の破損が発生したが、実施例の電池では薄膜の破損は発生しなかった。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、封口蓋にガス放出口が開設され、そのガス放出口が薄膜で閉塞されてガス放出弁が形成されている密閉式電池において、外装缶内における薄膜と発電素体との間に、液滴が通過するのを防止する遮蔽部材を、外装缶内部からガス放出口へのガス抜け道を確保した状態で介挿させることによって、電池落下時における薄膜の破損をなくすことを可能とした。
【００４８】
このような遮蔽部材は、平板状とし薄膜と平行に設けたり、発電素体と封口蓋との間に介挿されている絶縁部材に取り付けることによって、容易に設置を行うことができる。
非水電解液電池、特に角形非水電解液電池では、薄膜を用いたガス放出弁が設けられることが多いので、本発明は、非水電解液電池、特に角形非水電解液電池の性能向上に有効な技術である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る角形密閉式電池の斜視図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ’線断面図である。
【図３】図２に示す封口蓋３０を電池内方側から見た時の斜視図である。
【図４】実施の形態の一変形例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 外装缶
２０ 渦巻電極体
２１ 負極板
２２ 正極板
２３ セパレータ
３０ 封口蓋
３１ 封口板
３２ 負極端子
３４ 絶縁板
３５ 集電板
３６ ガス放出弁
３４１ 通気孔
３４２ 遮蔽板
３４３ａ，３４３ｂ 通気溝
３６０ ガス放出口
３６１ 薄膜
３６２ リング

Claims (4)

1. 電極体に電解液が含浸されてなる発電素体が外装缶内に収納され、当該外装缶の開口部が封口蓋で封口されてなり、当該封口蓋には、ガス放出口が開設され、当該ガス放出口が薄膜で閉塞されることによりガス放出弁が形成されている密閉式電池であって、
   前記外装缶内には、
   前記薄膜と前記発電素体との間に、電解液の液滴が通過するのを防止することのできる遮蔽部材が介挿され、
   前記遮蔽部材は、前記ガス放出口と前記発電素体との間を垂直に結ぶ経路を遮蔽する形状であって、且つ、前記遮蔽部材と前記薄膜との間に、ガスが流通できる間隙を確保した状態で存在していることを特徴とする密閉式電池。
2. 前記遮蔽部材は、少なくとも、
   前記発電素体から電解液の液滴が飛び出して前記薄膜を垂直に直撃するのを防止するよう設けられていることを特徴とする請求項１記載の密閉式電池。
3. 前記遮蔽部材は、
   平板状であって、前記薄膜と平行に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の密閉式電池。
4. 前記発電素体と封口蓋との間には、
   この両者の電気的接触を防止する絶縁部材が介挿され、
   前記遮蔽部材は、
   前記絶縁部材に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の密閉式電池。

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