JP2010231966A - 密閉型電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】導電性に優れた安全弁付き封口体を備えた密閉型電池を提供する。
【解決手段】有底筒状の外装缶20の開口部に封口体10をかしめ固定することにより密閉した密閉型電池において、封口体10は、鉄系材料からなり、電池外方に突出した外部端子部5aと、外部端子部5aの周縁に位置するフランジ部5bと、フランジ部5bに設けられた、電池外方面側よりも電池内方面側のほうが径が小さい穴5cと、を有する端子キャップ5と、アルミニウム系材料からなり、電池内方に突出した通電接触部3aと、通電接触部3aの周縁に位置する周辺部3bと、周辺部3bに設けられたピン状突起3cと、を有する安全弁3と、を備え、安全弁のピン状突起3cが端子キャップの穴5cにはめ込まれ、ピン状突起3cの先端部が押しつぶされたリベット固定部を有し、端子キャップ5の直径が、安全弁3の直径よりも大きい。
【選択図】図3

Description

本発明は、密閉型電池に関し、より詳しくは安全弁付き封口体を備えた密閉型電池の封口体構造に関する。
非水電解質二次電池は、高いエネルギー密度を有し、高容量であるため、携帯機器や電動工具等の駆動電源として広く利用されている。
非水電解質二次電池には、可燃性の有機溶媒が用いられているため、電池の安全性の確保が求められている。このため、電池を密閉する封口体に、電池内圧が上昇した場合に動作する電流遮断機構を組み込むことが行われている。
図1に、電流遮断機構を組み込んだ封口体を備えた密閉型電池を示す。図1に示すように、封口体10は、端子キャップ5と、端子キャップの電池内方面に位置する安全弁3と、安全弁の電池内方面に位置する端子板1と、安全弁3と端子板1とを離隔し絶縁する絶縁板2とを有している。ここで、端子キャップ5と安全弁3との導電接触を保つために、端子キャップのフランジ部5bに設けられたザグリ穴5cに安全弁の周縁部3bに設けられたピン状突起3cがはめ込まれ、リベット固定により両者が固定されている。さらに、安全弁3の中心付近は電池内方に向かって凸状形状をなし、凸状形状の頂点付近が端子板1に溶接されており(通電接触部)、端子板1上の通電接触部周囲には、端子板1の厚みを薄くしてなる破砕溝が形成されている。
この密閉型電池の電流遮断機構の動作について説明する。電池内圧が上昇したとき、安全弁3が電池外方に押し上げられ、安全弁3の通電接触部に接続された端子板1の破砕溝が破断して、端子キャップ5への電流供給が遮断される。
このような電流遮断機構においては、安全弁は上記動作をスムースに行える必要があり、その材料には変形しやすいことが求められ、他方、端子キャップは外部環境に面するため、その材料には一定の強度が求められる。このため、安全弁にはアルミニウム系の材料が用いられ、端子キャップには鉄系の材料が用いられている。
ところで、電動工具など大電流で放電する用途に用いる非水電解質二次電池は、放電時に電池温度が80℃以上の高温となることがある。そして、電池の使用によって繰り返し高温に曝されると、絶縁板2やガスケット30等の樹脂製部品の弾力性が失われる。樹脂製部品の弾性が失われると、樹脂製部品の周囲に位置する端子キャップ5と安全弁3との接触が緩み、電池の内部抵抗が上昇したり不安定になったりしやすくなる。よって、端子キャップ5と安全弁3と固定を強固なものとすることが望まれている。
ところで、封口体に関する技術としては、下記特許文献1が挙げられる。
特公平5-74904号公報
特許文献1は、円筒状部とこの円筒状部の外周に設けられ複数の孔を有するつば部を形成した電池キャップと、電池キャップの板厚よりも大きい突出高さを持つ複数の凸状部を設けた金属板とより構成され、電池キャップの孔部を金属板の凸状部に嵌め合わせ、電池キャップの孔部より突出した金属板の凸状部の端面を圧接して両者を固定した封口体を開示している。
この技術によると、固定強度や組立精度に優れた封口体が得られるとされる。しかしながら、変形しやすい安全弁について考慮されておらず、この技術によっても、封口体の導電性は、十分ではない。
本発明は上記課題を解決するものであり、導電性に優れた安全弁付き封口体を備えた密閉型電池を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための本発明は、有底筒状の外装缶20の開口部に封口体10をかしめ固定することにより密閉した密閉型電池において、前記封口体10は、鉄系材料からなり、電池外方に突出した外部端子部5aと、前記外部端子部5aの周縁に位置するフランジ部5bと、前記フランジ部5bに設けられた、電池外方面側よりも電池内方面側のほうが径が小さい穴5cと、を有する端子キャップ5と、アルミニウム系材料からなり、電池内方に突出した通電接触部3aと、前記通電接触部3aの周縁に位置する周辺部3bと、前記周辺部3bに設けられたピン状突起3cと、を有する安全弁3と、を備え、前記安全弁のピン状突起3cが前記端子キャップの穴5cにはめ込まれ、前記ピン状突起3cの先端部が押しつぶされたリベット固定部を有し、前記端子キャップ5の直径が、前記安全弁3の直径よりも大きいことを特徴とする。
本発明者らが、封口体の密閉性の向上について鋭意研究を行った結果、安全弁材料として変形しやすいアルミニウム系材料を用い、端子キャップ材料として剛性が強い鉄形の材料を用い、リベット固定により安全弁と端子キャップとを固定した封口体を外装缶開口部にかしめ固定する場合、次のような問題があることを知った。
上記のように、異なる材料からなる安全弁3と端子キャップ5とが一体化された封口体を、絶縁ガスケット30を介して外装缶20の開口部にかしめ固定するとき、安全弁の周辺部3b及び端子キャップのフランジ部5bは、絶縁ガスケット30に押されるとともに、外装缶20の開口部を端子キャップ5方向に曲げることによる変形の力がかかり、周辺部3b及びフランジ部5bに垂直な方向からもまた圧力が作用する。このようなかしめによる力によって、周辺部3b及びフランジ部5bは変形するのであるが、両者の物性の違いによって周辺部3bとフランジ部5bとの変形量が異なる。変形しやすい安全弁3の直径が、変形しにくい端子キャップ5の直径以上である場合(図7(a)参照)には、かしめ固定による力と変形量の差とによって、リベット固定部やその周辺において緩みや隙間が生じることになる(図7(b)参照)。この部分に緩みや隙間が生じると、端子キャップ5と安全弁3との接触が不安定になるので、両者の間の導電が不安定になる。
しかし、上記構成のように端子キャップ5の直径が安全弁3の直径よりも大きい場合(図6(a)参照)、この直径の差によってかしめ固定時の変形量の差が緩和されるので、リベット固定部においてピン状突起3cとザグリ穴5cとの間に隙間ができることがない(図6(b)参照)。よって、安全弁3と端子キャップ5との接触状態が良好に保たれ、高い導電性が維持される。
上記構成において、端子キャップ5の直径は、安全弁3の直径よりも、0.04〜0.1mm大きいとすることが好ましい。
ここで、鉄系材料とは、鉄及び鉄合金を意味し、アルミニウム系材料とは、純アルミニウム及びアルミニウム合金を意味する。
上記本発明によると、導電性に優れた安全弁付き封口体を得る事ができ、これを用いてなる密閉型電池の電流取り出し効率を高めることができる。
図1は、本発明にかかる密閉型電池の断面図である。 図2は、本発明にかかる密閉型電池に用いる封口体の端子キャップと安全弁とを示す図である。 図3は、本発明にかかる密閉型電池において、端子キャップと安全弁とをリベット固定する工程を説明する図である。 図4は、本発明にかかる密閉型電池において、端子キャップを作製する工程を説明する図である。 図5は、本発明にかかる密閉型電池において、安全弁を作製する工程を説明する図である。 図6は、本発明にかかる密閉型電池のリベット固定部近傍の断面図であって、図6(a)はかしめ固定前、図6(b)はかしめ固定後を示す。 図7は、従来の電池のリベット固定部近傍の断面図であって、図7(a)はかしめ固定前、図7(b)はかしめ固定後を示す。
(実施の形態1)
本発明を実施するための最良の形態を、図面を用いて詳細に説明する。図1は、本実施の形態にかかる密閉型電池の要部拡大断面図である。
図1に示すように、本実施の形態にかかる密閉型電池に用いる封口体10は、電極タブ8を介して正極または負極と電気的に接続される端子板1と、電池外方に突出した外部端子部を有する端子キャップ5と、端子板1と端子キャップ5との間に介在し、電池内部圧力が上昇した際に変形して、端子板1と端子キャップ5との電気的接続を遮断する安全弁3と、安全弁3が電流を遮断する際、安全弁3と端子板1との電気的接触を防止する絶縁部材2と、を備えている。そして、電極体40の一方の電極と端子板1とが、電極タブ8を介して接続されている。
本発明に用いる端子キャップ及び安全弁を、図2に示す。端子キャップ5は、図2(a)に示すように、電池外方に突出した外部端子部5aと、外部端子部5aの周縁に位置するフランジ部5bと、フランジ部5bに設けられたザグリ穴5cと、を有する。安全弁3は、図2(b)に示すように、電池内方に突出した通電接触部3aと、通電接触部3aの周縁に位置する周辺部3bと、周辺部3bに設けられたピン状突起3cと、を有する。図3(c)に示すように、ピン状突起3cがザグリ穴5cにはめ込まれ、ピン状突起3cの先端が押しつぶされ、リベット固定により両者が固定されている。ここで、端子キャップ5の直径は16.5mmであり、安全弁3の直径16.4mmである。
図1に示すように、電極体40と非水電解質とを収容した外装缶10の開口部に、絶縁ガスケット30を介してこの封口体10が配置され、かしめ固定されている。
上記構造のリチウムイオン二次電池の作製方法について説明する。
<正極の作製>
コバルト酸リチウム(LiCoO2)からなる正極活物質と、アセチレンブラックまたはグラファイト等の炭素系導電剤と、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)からなる結着剤とを、質量比90:5:5の割合で量り採り、これらをN−メチル−2−ピロリドンからなる有機溶剤等に溶解させた後、混合し、正極活物質スラリーを調製する。
次に、ダイコーターまたはドクターブレード等を用いて、アルミニウム箔(厚み:20μm)からなる正極芯体の両面に、この正極活物質スラリーを均一な厚みで塗布する。
この極板を乾燥機内に通して上記有機溶剤を除去し、乾燥極板を作製した。この乾燥極板を、ロールプレス機を用いて圧延し、裁断して、正極板を作製する。
本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池で用いる正極活物質としては、上記コバルト酸リチウム以外にも、例えばニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn24)リン酸鉄リチウム(LiFePO4)、マンガンニッケルコバルト酸リチウム(LiMnxNiyCoz2、x+y+z=1)、またはこれらの酸化物に含まれる遷移金属の一部を他の元素で置換した酸化物等のリチウム含有遷移金属複合酸化物を単独で、あるいは二種以上を混合して用いることができる。
<負極の作製>
人造黒鉛からなる負極活物質と、スチレンブタジエンゴムからなる結着剤と、カルボキシメチルセルロースからなる増粘剤とを、質量比98:1:1の割合で量り採り、これらを適量の水と混合し、負極活物質スラリーを調製する。
次に、ダイコーターまたはドクターブレード等を用いて、銅箔(厚み:15μm)からなる負極芯体の両面に、この負極活物質スラリーを均一な厚さで塗布する。
この極板を乾燥機内に通して水分を除去し、乾燥極板を作製した。その後、この乾燥極板を、ロールプレス機により圧延し、裁断して、負極板を作製する。
ここで、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池で用いる負極材料としては、例えば天然黒鉛、カーボンブラック、コークス、ガラス状炭素、炭素繊維、あるいはこれらの焼成体等の炭素質物、または前記炭素質物と、リチウム、リチウム合金、およびリチウムを吸蔵・放出できる金属酸化物からなる群から選ばれる1種以上との混合物を用いることができる。
<電極体の作製>
上記正極と負極とポリエチレン製微多孔膜からなるセパレータとを、巻き取り機により捲回し、絶縁性の巻き止めテープを設け、巻回電極体を完成させる。
〈封口体の作製〉
ニッケルメッキされた鉄板の中心部を、プレス金型61を用いてプレスして外部端子部5a(凸部)を形成する(図4(a)参照)。
この後、フランジ部5b(凸部の外周部分)に打ち抜き穴を開ける(図4(b)参照)。
この後、穴を上方向からプレス金型62を用いてプレスして、穴の直径を部分的に広げる(図4(c)参照)。このとき、プレスされた反対面側は、穴の径が図4(b)に示す状態よりも小さくなる。
この後、再度穴を打ち抜くことによりプレスにより狭まった穴を拡大する(図4(d)参照)。
この後、直径16.5mmの円盤状に打ち抜いて、ザグリ穴5cが形成された端子キャップ5が完成する。
アルミニウム板の中心部をプレス金型71を用いてプレスし、通電接触部(凹部3a)を形成する(図5(a)参照)。
この後、周辺部3b(凸部の外周部分)を下面からプレス器具72a,b,cを用いて押圧してピン状突起3cを形成する(図5(b)参照)。
その後、直径16.4mmの円盤状に打ち抜いて、ピン状突起3cが形成された安全弁3が完成する(図5(c)参照)。
この作製方法では、ピン状突起3cの反対面に、押圧による変形によって凹形状の部分が形成されるが(図5(c)参照)、この凹形状の部分は本発明の必須の構成要素ではない。
本実施の形態では、各部のサイズは以下のとおりとする。端子キャップ5の直径L1は16.5mm、厚みは0.3mm、ザグリ穴5c外径L3は1.4mm、内径L4は1.0mm、内径部の高さL2は0.2mm、端子キャップの高さL5は1.8mmである。また、安全弁3の直径は16.4mm、厚みは0.4mm、ピン状突起3cの高さL7は0.5mm、直径L8は0.9mmである。また、安全弁のピン状突起3c及び端子キャップのザグリ穴5cの数は、それぞれ3とする。
(リベット固定ステップ)
この後、上記安全弁3の上面に、上記端子キャップ5を配置し、端子キャップ5のザグリ穴5cに安全弁3のピン状突起3cをはめ込む(図3(a)参照)。
この後、リベット固定具51a,bを用いて上下方向から押圧し、ピン状突起3cの先端部をつぶして、リベット固定する(図3(b)、(c)参照)。
この後、この安全弁3の下面に、ポリプロピレン製の絶縁板2を介してアルミニウム製の端子板1を溶接し、封口体10を作製する。
<電解液の作製>
エチレンカーボネート(EC)とプロピレンカーボネート(PC)とジエチルカーボネート(DEC)とを体積比1:1:8の割合(1気圧、25℃と換算した場合における)で混合した非水溶媒に、電解質塩としてのLiPF6を1.0M(モル/リットル)の割合で溶解したものを電解液とする。
ここで、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池で用いる非水溶媒としては、上記の組み合わせに限定されるものではなく、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン等のリチウム塩の溶解度が高い高誘電率溶媒と、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、アニソール、1,4−ジオキサン、4−メチル−2−ペンタノン、シクロヘキサノン、アセトニトリル、プロピオニトリル、ジメチルホルムアミド、スルホラン、蟻酸メチル、蟻酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸エチル等の低粘性溶媒とを混合させて用いることができる。さらに、前記高誘電率溶媒や低粘性溶媒をそれぞれ二種以上の混合溶媒とすることもできる。また、電解質塩としては、上記LiPF6以外にも、例えばLiN(C25SO22、LiN(CF3SO22、LiClO4またはLiBF4等を単独で、あるいは2種以上混合して用いることができる。
<電池の組み立て>
上記電極体の正極集電体と角形外装缶の缶底とを溶接し、上記電解液と外装缶内に注液し、封口体の端子板と負極集電体と電極タブ8を介して電気的に接続した後、外装缶の開口部を、ポリプロピレン製ガスケットを介してかしめ加工して封止し、本実施の形態にかかる電池を組み立てる。
(実施例1)
上記実施の形態と同様にして、実施例1に係る電池を作製した。なお、安全弁のピン状突起及び端子キャップの穴の個数は、それぞれ3とした。
(比較例1)
端子キャップの直径と安全弁の直径とを同一(16.5mm)としたこと以外は、上記実施の形態と同様にして、比較例1にかかる電池を作製した。なお、安全弁のピン状突起及び端子キャップの穴の個数は、それぞれ3とした。
〔抵抗の測定〕
上記実施例1および比較例1と同一の条件で電池をそれぞれ30個作製した。封口体の電気抵抗を、リベット固定後及び電池かしめ後において測定した。この結果を下記表1に示す。
Figure 2010231966
上記表1から、端子キャップの直径が安全弁の直径よりも大きい実施例1は、電池かしめ後の抵抗が2.1〜2.8mΩであるのに対し、端子キャップの直径が安全弁の直径と同一である比較例1は、電池かしめ後の抵抗が10.1〜27.5mΩと、抵抗値及びバラツキがきわめて大きいことがわかる。
このことは、次のように考えられる。上記実施例1、比較例1ともに、安全弁3については変形しやすいアルミニウム系材料が用いられ、端子キャップには剛性が強い鉄形の材料が用いられている。このように、異なる材料からなる安全弁3と端子キャップ5とが一体化された封口体を、絶縁ガスケット30を介して外装缶20の開口部にかしめ固定するとき、安全弁の周辺部3b及び端子キャップのフランジ部5bは、絶縁ガスケット30に押されるとともに、外装缶20の開口部を端子キャップ5方向に曲げることによる変形の力がかかり、周辺部3b及びフランジ部5bに垂直な方向からもまた圧力が作用する。これらの力によって、周辺部3b及びフランジ部5bは変形するのであるが、両者の物性の違いによって周辺部3bとフランジ部5bとの変形量が異なる。変形しやすい安全弁3の直径が、変形しにくい(剛性が強い)端子キャップ5の直径と等しい比較例1では(図7(a)参照)、かしめ固定による力と変形量の差とによって、リベット固定部やその周辺において緩みや隙間が生じることになる(図7(b)参照)。この部分に緩みや隙間が生じると、端子キャップ5と安全弁3との接触が不安定になることで、導電が不安定になる。
しかし、実施例1は端子キャップ5の直径が安全弁3の直径よりも大きく(図6(a)参照)、この直径の差によってかしめ固定時の変形量の差が緩和されるので、リベット固定部においてピン状突起3cとザグリ穴5cとの間に隙間ができることがない(図6(b)参照)。よって、安全弁3と端子キャップ5との接触状態が良好に保たれ、導電性が高まる。
以上説明したように、本発明によると、導電性に優れた安全弁付き封口体を実現でき、これを備えた密閉型電池の電流の取り出し効率を向上できる。よって、産業上の意義は大きい。
1 端子板
2 絶縁板
3 安全弁
5 端子キャップ
8 電極タブ
10 封口体
20 外装缶
30 絶縁ガスケット
40 電極体
51 リベット固定具
61 プレス金型
62 プレス金型
71 プレス金型
72 プレス金型

Claims (2)

  1. 有底筒状の外装缶(20)の開口部に封口体(10)をかしめ固定することにより密閉した密閉型電池において、
    前記封口体(10)は、
    鉄系材料からなり、電池外方に突出した外部端子部(5a)と、前記外部端子部(5a)の周縁に位置するフランジ部(5b)と、前記フランジ部(5b)に設けられた、電池外方面側よりも電池内方面側のほうが径が小さい穴(5c)と、を有する端子キャップ(5)と、アルミニウム系材料からなり、電池内方に突出した通電接触部(3a)と、前記通電接触部(3a)の周縁に位置する周辺部(3b)と、前記周辺部(3b)に設けられたピン状突起(3c)と、を有する安全弁(3)と、を備え、
    前記安全弁のピン状突起(3c)が前記端子キャップの穴(5c)にはめ込まれ、前記ピン状突起(3c)の先端部が押しつぶされたリベット固定部を有し、
    前記端子キャップ(5)の直径が、前記安全弁(3)の直径よりも大きい、
    ことを特徴とする密閉型電池。
  2. 請求項1に記載の密閉型電池において、
    前記端子キャップ(5)の直径は、前記安全弁(3)の直径よりも、0.04〜0.1mm大きい、
    ことを特徴とする密閉型電池。
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