JP5433248B2

JP5433248B2 - 筒状電池

Info

Publication number: JP5433248B2
Application number: JP2009030304A
Authority: JP
Inventors: 徳久渡部
Original assignee: FDK Energy Co Ltd
Current assignee: FDK Energy Co Ltd
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2029-02-12
Also published as: JP2010186648A

Description

この発明は、有底筒状の電池缶内に発電要素を収納してなる筒状電池に関し、具体的には、筒状電池の防爆安全機構に関する。

本発明の対象となる筒状電池の典型例として、正極活物質に二酸化マンガンを用い、負極活物質に金属リチウムを用いる二酸化マンガン−リチウム系のリチウム電池（ＣＲ型電池）を挙げる。図５に従来のＣＲ型電池の構造を示した。（Ａ）は、当該電池１を上方から見たときの平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるｄ−ｄ矢視断面図である。また（Ｃ）は（Ａ）におけるＤ−Ｄ矢視断面の拡大図である。図示したＣＲ型電池１ｂは、ボビン形と言われるもので、上方が開口する有底円筒状の正極缶１１、二酸化マンガン等の正極活物質を黒鉛等の導電助剤とともに中空円筒状に成形された正極合剤２１、円筒状の負極リチウム２２、円筒カップ状のセパレータ２３、負極端子を兼ねて電池缶１１の開口を密閉封口する封口体３０などによって構成されている。

正極缶１１は金属製であって電池ケースと正極集電体を兼ねる。下方底面には外側に凸状となる正極端子部１２がプレス加工により形成されている。また、開口部近傍の周囲には絞り加工によるビーディング部１０が形成されている。そして、この正極缶１１内に、正極合剤２１、セパレータ２３、および負極リチウム２２が順次装填されて中空筒状の電極体が形成されている。

負極リチウム２２は金属リチウム板を丸めたものであって、その一部に負極リード３３の一端部があらかじめ取り付けられている。この負極リード３３は帯状の金属薄板で形成され、負極集電体を兼ねる。その他端部は封口体３０を構成するステンレスなどの金属製薄板からなる円盤状の封口板３２の内側（電池内側）にスポット溶接されている。封口体３０は、当該封口板３２とステンレスなどの金属からなる負極端子板３１とによって構成されている。負極端子板３１は、周囲にフランジを有する皿状であり、底面を上方にして皿を伏せた状態で封口板３２と積層されて封口体３０を構成している。

正極缶１１内には非水電解液（図示省略）が充填されており、封口体３０は、ガスケット３４とともに正極缶１１の開口部内側にビーディング部１０を座として装着されつつ、正極缶１１開口部が内方にかしめ加工（カール加工）されることで電池缶１１に嵌着されている。

ところで、上記構造の電池１において、皿状の負極端子板３１の底面４４のほぼ中央には、略Ｖ字状の切欠４０が画成され、その切欠４０によって形成された舌片がその基端４９で電池缶１１内方に折り曲げられている。それによって、その舌片が鋭利な先端４７を有する切り刃４１となる。そして、その先端４７が封口板３２に近接している。また、負極端子板３１の底面４４には、この切り刃４１を形成したことにより、内外を連絡する鋭角三角形状の孔（排気口）４２が開口する。

当該皿状負極端子板３１の底面４４の周囲４６を縁とした壁面（周辺面）４５には、負極端子板３１の内外を連絡する小孔（通気孔）４３が形成されている。この封口板３２と切り刃４１は、電池１の誤使用による過放電や強制充電などで、当該電池１の内部にガスが発生し内圧が上昇した場合の防爆安全機構として動作する。そして排気口４２は、電池缶１１内外方を連絡してガスを外方へ放出するための通路（排気通路）となる。通気孔４３は、補助的な排気通路としての役割を担っている。

従来のボビン形電池１における防爆安全機構の動作を具体的に説明すると、まず、内圧上昇に伴って封口板３２が上方に膨らみ、切り刃４１の先端４７がこの封口板３２に突き刺さり封口板３２に穴を開ける。それによって、この穴から排気口４２に至る経路（排気経路）が形成されて、電池１内部のガスが外部へ逃げる。ガスの一部は、穴から通気孔４３に至る排気経路を通って外部に排気される。このようにして、電池１の破裂を防止できるようになっている。

従来の筒状電池では、電池缶内の内圧が想定外の速度で爆発的に上昇した場合、切り刃が封口板に突き刺さると、封口板が切り裂かれ、その切り裂かれた封口板が排気口に向かって大きく撓むように膨張し、その膨張部分が排気口を塞いでしまう場合がある。図６にこのような爆発的な内圧上昇時における防爆安全機構の動作状態を示した。この図では、封口体３０の拡大断面図を示している。まず、電池缶内でガスが発生し、内圧が上昇すると封口板３２が上方へ膨張し切り刃４１の先端４７に当接し、封口板３２に穴３５が開く（Ａ）。ガスの発生が爆発的であると、この穴３５から封口板３２が切り刃４１を境にして分断する。そして、排気口４２を通じて外方に排気される間もなく、分断された封口板３２が電池缶１１に嵌着されている円盤周縁部分を支点にして一気に排気口４２に向かって撓み、端子板３１の底面４４の裏側４８に張り付く。それによって、最も大きな排気通路が閉塞されてしまう（Ｂ）。このような爆発的な内圧上昇時には、正極合剤やセパレータの破片などの固形物も噴出するため、封口板３２によって排気口４２が完全に塞がれなくても、排気口４２に残された僅かな間隙にこの固形物が集中し、排気口４２を完全に閉塞してしまう。もちろん、径が小さな通気孔４３も閉塞されてしまう。

このような状態になると、矢印５０で示したように、電池内で発生したガスは、切り刃４１によって封口板３２に穿設された穴（あるいは破断された切り口）３５から封口板３２の上方に案内されたあと、結局、排気通路が無い端子板３１と封口板３２との間の空間（網点部分）３６部分のみを緩衝領域とするだけで、それ以上の内圧上昇を抑えることができない。その結果、電池が破裂・発火する、という非常に危険な事態となる可能性がある。

そこで、本発明は、電池内でガスが爆発的に発生し、想定外の異常な速度で電池缶内の圧力が上昇したとしても、その内圧を確実に電池外へ開放し、電池の破裂・発火を防止する高度な安全機構を備えた筒状電池を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明は、上方に開口する有底筒状の金属製電池缶内に発電要素が収納されているとともに、前記電池缶の開口にガスケットを介して封口体が嵌着されて当該電池缶が密閉されてなる筒状電池であって、
前記封口体は、上方を底面とした金属製皿状の端子板と、この端子板の下方に配設された円盤状の金属製薄板からなる封口板とによって構成され、
前記皿状端子板は、底面に略Ｖ字状の第１の切欠によって形成された舌片を前記電池缶の内方にほぼ鉛直方向に立設するように折り曲げてなる切り刃を備えるとともに、当該切り刃を形成した跡の略三角形形状の開口を排気口として備え、
前記皿状端子板には、底面には第１の切欠に加え、少なくとも一つ以上の他の切欠が形成され、
前記他の切欠によって形成された舌片は、前記電池缶の内方にほぼ鉛直方向に立設するように折り曲げられることで突起部を形成し、
前記切り刃の先端は、前記封口板の上面に近接し、前記電池缶内の内圧上昇に伴って前記封口板が上方に膨張した際に、当該封口板を貫通するように構成され、
前記突起部の先端は、前記封口板の上面に近接し、前記電池缶内の内圧上昇に伴って前記封口板が上方に膨張した際に、当該封口板に当接するとともに、前記膨張に抗しつつ当該封口板を破断しないように構成されている筒状電池としている。

なお、前記突起の先端を前記封口板の面に平行となるように平坦にしたり、前記切り刃の先端を前記突起部の先端より下方に位置させたりすればより好ましい。

本発明の筒状電池によれば、内圧が想定外の異常な速度で上昇したとしても、その内圧を確実に電池外方へ逃がし、電池の破裂や発火を防止することができる極めて高い安全性を確保することができる。また、その極めて高い安全性は、端子板の構造を変更するだけで達成でき、電池を製造する際に、別部品や別工程が不要であり、製造コストの増加を極めて低く抑えることができる。

本発明の実施例における筒状電池の構造図である。上記第実施例における封口体の構造と防爆安全機構の動作原理を示した図である。本発明のその他の実施例１における封口体の構造図である。本発明のその他の実施例２における封口体の構造図である。従来の筒状電池の構造図である。従来の筒状電池における防爆安全機構が不完全に動作した状態を示す図である。

本発明の実施例における筒状電池の基本構造は、図５に示した従来のボビン形電池１とほぼ同様であり、上方に開口する円筒状の金属製電池缶１１内に発電要素（２１〜２３）を収納し、当該開口に封口体３０を嵌着して電池缶１１を密閉してなっている。しかし、本実施例の電池では、従来の電池において課題となっていた爆発的な内圧上昇に対しても確実に電池缶１１内の発生ガスを排気できる極めて信頼性の高い防爆安全機構を備えている。

＝＝＝本発明の実施例＝＝＝
図１に本発明の実施例における筒状電池の構造を示した。（Ａ）は上方からの平面図であり、（Ｂ）は側断面図であり（Ａ）におけるＡ−Ａ矢視断面を示している。当該実施例に係る電池１ａは、従来の電池１と同様の基本構成を有しているが、皿状負極端子板３１ａの底面４４に、切り刃４１を形成するための略Ｖ字状の切欠（切り刃用切欠）４０に加え、コの字型の切欠（突起用切欠）５０が画成されている。

この突起用切欠５０は、コの字の開放端（基端）５４と切り刃用切欠４０におけるＶ字の開放端（基端）４９とが平行となるように画成されている。そして、この突起用切欠５０によって形成された舌片が上記基端５４で電池１ａの内方に折り曲げられ、略矩形の突起５１が切り刃４１と平行となるように形成されている。なお、突起５１と切り刃４１のそれぞれの先端（５３，４７）は、どちらが下方にあってもよいが、本実施例では、内圧上昇時に封口板３２が上方へ膨張した際、最初に切り刃４１の先端４７に当接して排気経路が確保できるように、突起５１の先端５３よりも切り刃４１の先端４７の方が下方となるようにしている。

＝＝＝防爆安全機構の動作＝＝＝
図２（Ａ）〜（Ｃ）に本実施例の筒状電池１ａにおける防爆安全機構の動作を示した。この図では、封口体３０ａの側断面図を示した。電池１ａの内部でガスが爆発的に発生した場合、ほぼ一瞬で、封口板３２が上方へ膨張し、切り刃４１の先端４７が封口板３２に当接するとともに（Ａ）、これに穴３５を開ける。そして、封口板３２が切り刃４１を境にして２つに破断する（Ｂ）。このとき、ガスが負極端子板３１ａの開口（４２，４２ｂ）から一気に外方へ逃げようとするため、破断した封口板３２の一部が開口（４２，４２ｂ）へ向かって撓む。しかし、本実施例では、突起５１があるため、その突起５１の先端５３に封口板３２が当接し、この当接箇所では上方への撓みが抑制される。その結果、突起５１の先端５３を支点にして破断した封口板３２の先端側３７が上方に捲れ上がり、突起５１に沿うように屈曲する（Ｃ）。それによって、排気口４２が閉塞されず、排気経路６０ａが確実に確保され、電池１ａの破裂・発火を防止することができる。

＝＝＝防爆性能試験＝＝＝
ここで、従来の筒状電池と本発明の筒状電池について、防爆安全機構の性能を比較した。当該比較に際しては、図１に示した実施例における筒状電池（発明品）１ａと、図５に示した従来の筒状電池（従来品）１とをサンプルとして作製した。サンプルは、直径１７．０ｍｍ、高さ４５．０ｍｍのＣＲ８型とし、発明品１ａと従来品１とは、負極端子板（３１ａ，３１）における突起５１の有無を除けば全て同じ構造とした。そして、上記発明品１ａと従来品１について、電池缶１１の下端に穴を開け、その穴から送気して電池（１ａ,１）内の内圧を上昇させた。

試験では、送気による１秒あたりの空気流入量を変え、様々な速度での内圧上昇状態を再現した。サンプルは、各内圧上昇速度に対し、発明品１ａと従来品１のそれぞれについて１００本ずつ用意した。また、試験結果は、１秒後の送気終了時までに電池が破裂するか否かによって判定した。

表１に当該試験結果を示した。

当該試験において、最も低い内圧上昇速度である０．１Ｍｐａ／ｓｅｃは、想定される誤使用に伴う内圧上昇速度よりも速い。そして、従来品１では、この０．１Ｍｐａ／ｓｅｃ、および０．５Ｍｐａ／ｓｅｃの内圧上昇速度において破裂はなかったが、０．８Ｍｐａ／ｓｅｃでは、１００本中２本のサンプルが破裂した。なお、ほとんど「あり得ない」ような内圧上昇速度である２.０Ｍｐａ／ｓｅｃでは、従来品１の８５％のサンプルが破裂した。一方、発明品１ａは、２.０Ｍｐａ／ｓｅｃの内圧上昇速度でも破裂に至ったサンプルは１００本中１本もなく、送気終了後に時間が経過しても破裂することがなかった。すなわち、本発明の実施例における筒状電池１ａは、従来の筒状電池では破裂していた内圧上昇速度の１．５倍の速度でも破裂することがなく、極めて高い安全性を有していることが確認できた。

＝＝＝突起の数や位置、形状について＝＝＝
上記突起５１は、上記実施例に限らず、爆発的な内圧上昇時に破断された封口板３２の上方への撓みを抑止して、排気口４２からの排気経路６０ａを確保することができれば、その数や大きさ、位置、形状はどのように設定してもよい。図３と図４に本発明のその他の実施例を示した。これらの図において、（Ａ）は、封口体３０ｂ（３０ｃ）を上面から見たときの平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）におけるｂ−ｂ（ｃ−ｃ）矢視断面図である。

図３に示した封口体３０ｂでは、負極端子板３１ｂに切り刃４１と突起５１が一つずつ形成されている点では、上記実施例と同様であるが、切り刃用切欠４０の基端４９となる辺からＶ字の頂点へ向かう垂線が突起用切欠５０の基端５４と平行となるように、双方の切欠（４０，５０）が並んで形成されている。それによって、切り刃４１と突起５１は、双方の面が互いに直交するように形成されている。図４に示した封口外３０ｃでは、負極端子板３１ｃに、図３に示した突起５０が切り刃４１を挟んで反対側にも形成され、全部で二つの突起が形成されている。すなわち、切り刃４１の面と二つの突起５１の面とによって、略コの字型の断面の壁面が形成されている。

なお、上記従来例や実施例として示した筒状電池（１，１ａ）は、一般的な乾電池とは異なり、負極端子板（３１，３１ａ〜３１ｃ）の底面４４にリード端子がスポット溶接などによって取り付けられた状態で使用される場合が多い。本発明の筒状電池１ａでは、切り刃４１を形成した跡である排気口４２に加え、突起４１ｂの形成するための孔４２ｂが負極端子板３１ａに開口しており、この４２ｂの数を多くしたり、開口面積を広くしたりすると、リード端子を取り付ける場所が無くなってしまう。

また、突起５１の数が多すぎたり、突起５１を形成した跡の孔５２の開口面積が大き過ぎたりすると、負極端子板（３１ａ〜３１ｃ）の強度が低下する。また、切り刃４１や突起５１は、内圧上昇時に封口板３２に穴３５を開けたり、封口板３２が上方に膨張するのを抑えたりするため、それらの基端（４９，５４）には大きな力が加わる。そのため、切り刃４１と突起５１のそれぞれを形成するための複数の切欠（４０，５０）が極めて近接していると、その大きな力に抗しきれず、切り刃４１や突起５１が歪んだり負極端子板（３１ａ〜３１ｃ）からちぎれたりする可能性がある。

また、突起５１の形状についても、上方に膨張する封口板３２に抗することができるのであれば、どのような形状であってもよい。上記実施例では、封口板３２の膨張に対する抗力を分散して封口板３２が突起５１によって破断されないように突起５１の先端５３が封口板３２の面と平行となるように平坦となっていた。また、突起５１を、単純なコの字状の突起用切欠５０によって形成された舌片を電池缶１１の内方へ折り曲げただけの構造とすることで、製造コストの増加を可能な限り低減させている。

いずれにしても、突起５１を形成する場合には、リード端子の取付け場所や強度などを考慮してその数や大きさを設定すればよい。実験では、本発明の実施例およびその他の実施例として示した端子板（３１ａ〜３１ｃ）は、いずれも優れた防爆安全性能を有するとともに、リード端子を取り付けることが可能であり、強度も実用上問題がなかった。

１、１ａ筒状電池
１１電池缶
２１正極合剤
２２負極リチウム
２３セパレータ
３０、３０ａ〜３０ｃ封口体
３１、３１ａ〜３１ｃ端子板
３２封口板
３４ガスケット
３５封口体の穴、または切り口
４０切り刃用切欠
４１切り刃
５０突起用切欠
５１突起
４２排気口
４３通気孔
４４端子板の底面
４５端子板の周辺面
６０ａ排気経路

Claims

上方に開口する有底筒状の金属製電池缶内に発電要素が収納されているとともに、前記電池缶の開口にガスケットを介して封口体が嵌着されて当該電池缶が密閉されてなる筒状電池であって、
前記封口体は、上方を底面とした金属製皿状の端子板と、この端子板の下方に配設された円盤状の金属製薄板からなる封口板とによって構成され、
前記皿状端子板は、底面に略Ｖ字状の第１の切欠によって形成された舌片を前記電池缶の内方にほぼ鉛直方向に立設するように折り曲げてなる切り刃を備えるとともに、当該切り刃を形成した跡の略三角形形状の開口を排気口として備え、
前記皿状端子板には、底面には第１の切欠に加え、少なくとも一つ以上の他の切欠が形成され、
前記他の切欠によって形成された舌片は、前記電池缶の内方にほぼ鉛直方向に立設するように折り曲げられることで突起部を形成し、
前記切り刃の先端は、前記封口板の上面に近接し、前記電池缶内の内圧上昇に伴って前記封口板が上方に膨張した際に、当該封口板を貫通するように構成され、
前記突起部の先端は、前記封口板の上面に近接し、前記電池缶内の内圧上昇に伴って前記封口板が上方に膨張した際に、当該封口板に当接するとともに、前記膨張に抗しつつ当該封口板を破断しないように構成されている、
ことを特徴とする筒状電池。
前記突起の先端は前記封口板の面に平行となるように平坦であることを特徴とする請求項１に記載の筒状電池。
前記切り刃の先端は、前記突起部の先端より下方に位置していることを特徴とする請求項１または２に記載の筒状電池。