JP2016170909A - 扁平形電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電極体の外周縁部に形成されたバリによって内部短絡が生じないような構成を、簡単且つ低コストな構成によって実現する扁平形電池の提供。【解決手段】正極材４１と負極材４２とセパレータ４３とを備え、正極材４１及び負極材４２は、金属多孔質体からなる集電体４１ａ，４２ａと、合剤とを有し、集電体４１ａ，４２ａは、外周縁部の少なくとも一部に、集電体４１ａ，４２ａの厚み方向に突出するバリ４１ｃ，４２ｃを有する。正極材４１及び負極材４２は、バリ４１ｃ，４２ｃがセパレータ４３とは反対側に突出する様に、セパレータ４３に対して配置されている扁平形電池１。【選択図】図１

Description

本発明は、コイン形電池等の扁平形電池に関する。

従来より、有底筒状の外装缶と、該外装缶の開口を覆うように配置され、外周側で該外装缶に接続される封口缶とを備えた扁平形電池が知られている。このような扁平形電池として、例えば特許文献１に開示されるように、電池ケース（外装缶）と封口板（封口缶）との間に、成形された正極合剤ペレット（正極材）及び金属リチウム（負極材）が配置された構成が知られている。特許文献１の構成では、正極材と負極材との間に短絡防止のためのセパレータが配置されている。特許文献１に開示されている正極板は、正極合剤をペレット状に形成したものであり、負極材は、金属リチウムによって構成されている。

一方、特許文献２に開示されるように、スポンジ状金属多孔体（金属多孔質体）の空間内部にペースト状混錬物を充填することにより構成された正極材も知られている。特許文献２には、帯状のスポンジ状金属多孔体の空間内部にペースト状混錬物を充填し、このスポンジ状金属多孔体を所定の寸法に切断することにより正極板を構成するとともに、切断の際に正極板の端部に発生したかえりバリを研磨処理して取り除く点が開示されている。これにより、帯状のスポンジ状金属多孔体を切断した際に発生したバリがセパレータを突き破ることを防止できる。したがって、特許文献２のように帯状のスポンジ状金属多孔体を切断することにより正極版を得る構成において、電池内部で短絡が生じるのを防止できる。

特開２０００−５８０７７号公報 特開２０００−１８８１０４号公報

ところで、上述の特許文献２のように、金属多孔質体の空間内に合剤を充填する構成において、帯状の金属多孔質体を切断した際に正極板の端部に発生したバリを取り除く場合には、研磨等の作業が必要になるため、電池の製造工程が増えて、製造コストが増加する。

しかも、金属多孔質体を切断する際に発生するバリは、微小であるため、取り除く際に、研磨工具等によってバリ以外の部分が変形を生じる可能性もある。

本発明の目的は、正極材と負極材との間にセパレータが配置され、且つ、正極材及び負極材の少なくとも一方の電極体が金属多孔質体によって構成された扁平形電池において、電極体の外周縁部に形成されたバリによって内部短絡が生じないような構成を、簡単且つ低コストな構成によって実現することにある。

本発明の一実施形態に係る扁平形電池は、周壁部が軸線方向に延びる有底筒状の外装缶と、前記外装缶の開口を覆う有底筒状の封口缶と、前記外装缶と前記封口缶との間に形成される空間内に、前記軸線方向に積層された状態で配置される正極材及び負極材と、前記正極材と前記負極材との間に配置されるセパレータとを備える。前記正極材及び前記負極材の少なくとも一方は、金属多孔質体からなる集電体と、該集電体の空孔内に充填される合剤とを有する。前記集電体は、外周縁部の少なくとも一部に、該集電体の厚み方向に突出するバリを有する。前記集電体を有する前記正極材及び前記負極材の少なくとも一方は、前記バリが前記セパレータとは反対側に突出するように、該セパレータに対して配置されている（第１の構成）。

以上の構成により、正極材及び負極材の少なくとも一方に含まれる集電体の外周縁部に形成されたバリがセパレータとは反対側に突出するため、正極材と負極材との間に配置されたセパレータを前記バリが突き抜けるのを防止できる。したがって、電池の内部短絡の発生を防止することができる。

前記第１の構成において、前記集電体を有する前記正極材及び前記負極材の少なくとも一方は、前記バリが前記外装缶及び前記封口缶のいずれか一方に接触するように、前記空間内に配置される（第２の構成）。

これにより、正極材及び負極材の少なくとも一方に含まれる集電体の外周縁部に形成されたバリを、外装缶及び封口缶のいずれか一方に接触させることができるため、バリによって集電体を外装缶及び封口缶のいずれか一方により確実に接触させることができる。したがって、電池内部での電気的な導通をより確実に確保することができる。

前記第１または第２の構成において、前記セパレータは、その厚みが前記バリの突出高さよりも薄い（第３の構成）。このような構成では、集電体の外周縁部に形成されたバリがセパレータを突き抜ける可能性が高くなる。このような構成において、上述の第１または第２の構成を適用することにより、バリがセパレータを突き抜けて電池内部で短絡が生じるのを防止できる。

前記第１から第３の構成のうちいずれか一つの構成において、前記集電体は、０．１ｍｍよりも厚い（第４の構成）。このような厚みを有する集電体を打ち抜き加工などによって所定の形状に形成した場合、該集電体の外周縁部にバリが形成されやすい。したがって、集電体が上述のような厚みを有する場合には、上述の第１または第２の構成を適用することにより、バリがセパレータを突き抜けて電池内部で短絡が生じるのを防止できる。

前記第１から第４の構成のうちいずれか一つの構成において、前記集電体は、金属多孔質体のシートを加工具によって打ち抜くことにより形成される（第５の構成）。このような構成では、集電体の外周縁部に、該集電体の厚み方向に突出するバリが形成されやすいため、上述の第１または第２の構成を適用することにより、バリがセパレータを突き抜けて電池内部で短絡が生じるのを防止できる。

本発明の一実施形態に係る扁平形電池では、正極材及び負極材の少なくとも一方に含まれる集電体の外周縁部に形成されたバリが、セパレータとは反対側に突出するように、該セパレータに対して正極材及び負極材を配置する。これにより、集電体の外周縁部に形成されたバリがセパレータを突き抜けるのを防止できる。したがって、集電体の外周縁部に形成されたバリによって電池の内部短絡が生じるのを防止できる。

図１は、実施形態に係る扁平形電池の概略構成を示す断面図である。 図２は、正極集電体を加工具によって切断する様子を模式的に示す図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中の同一または相当部分については同一の符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本発明の一実施形態である扁平形電池１の概略構成を示す断面図である。この扁平形電池１は、有底円筒状の正極缶１０（外装缶）と、該正極缶１０の開口を覆う負極缶２０（封口缶）と、正極缶１０の外周側と負極缶２０の外周側との間に配置されるガスケット３０と、正極缶１０及び負極缶２０の間に形成される空間Ｓ内に収納される発電要素４０とを備える。扁平形電池１は、正極缶１０と負極缶２０とを組み合わせることによって、全体が扁平なコイン状に形成される。なお、正極缶１０及び負極缶２０の間に形成される空間Ｓ内には、発電要素４０以外に、非水電解液（図示省略、以下、電解液という）も封入されている。

なお、本実施形態の扁平形電池１は、例えば、集音器や補聴器などのような小型の機器の電池として用いられる。

正極缶１０は、ステンレスなどの金属材料からなり、プレス成形によって有底円筒状に形成されている。図１に示すように、正極缶１０は、円形状の底部１１と、その外周に該底部１１と連続して形成される円筒状の周壁部１２とを備える。周壁部１２は、縦断面視で、底部１１に対して垂直に延びるように設けられている。正極缶１０は、後述するように、負極缶２０との間にガスケット３０を挟んだ状態で、周壁部１２の開口端側が内側に折り曲げられて、該負極缶２０の外周部に対してかしめられている。図１における符号Ｐは、扁平形電池１の軸線である。周壁部１２は、扁平形電池１の軸線方向に延びている。

負極缶２０も、正極缶１０と同様、ステンレスなどの金属材料からなり、プレス成形によって有底円筒状に形成されている。負極缶２０は、円形状の平面部２１と、その外周に該平面部２１と連続して形成される円筒状の周壁部２２とを備える。この周壁部２２も、正極缶１０と同様、縦断面視で、平面部２１に対して垂直に延びるように設けられている。すなわち、周壁部２２も、扁平形電池１の軸線方向に延びている。

周壁部２２は、該周壁部２２の基端部２２ａに対して径が段状に大きくなる拡径部２２ｂを有する。すなわち、周壁部２２には、基端部２２ａと拡径部２２ｂとの間に段部２２ｃが形成されている。図１に示すように、この段部２２ｃに対して、正極缶１０の周壁部１２の開口端側が折り曲げられてかしめられている。これにより、正極缶１０と負極缶２０とが、それらの外周側で接続されている。

ガスケット３０は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を主成分としており、ＰＰＳにオレフィン系エラストマーを含有した樹脂組成物からなる。ガスケット３０は、正極缶１０の周壁部１２と負極缶２０の周壁部２２との間に挟みこまれるように配置されている。また、ガスケット３０は、負極缶２０の周壁部２２の開口端と正極缶１０の底部１１との間に挟み込まれるように配置されている。具体的には、ガスケット３０は、リング状のベース部３１と、該ベース部３１の外周縁から突出する外筒壁３２と、該ベース部３１の内周縁から該外筒壁３２と同じ方向に伸びる内筒壁３３とを備える。本実施形態では、ガスケット３０は、ベース部３１、外筒壁３２及び内筒壁３３が一体で形成されている。

また、ガスケット３０は、負極缶２０の拡径部２２ｂを覆うように配置されている。すなわち、ガスケット３０は、負極缶２０の拡径部２２ｂが、ガスケット３０の外筒壁３２と内筒壁３３との間に位置づけられるように、負極缶２０の拡径部２２ｂに配置されている。これにより、ガスケット３０の外筒壁３２は、正極缶１０の周壁部１２と負極缶２０の周壁部２２との間に挟みこまれる。ガスケット３０のベース部３１及び外筒壁３２は、正極缶１０と負極缶２０との間に挟みこまれた状態で、該正極缶１０と負極缶２０との隙間をシール可能な厚みを有する。

このように、正極缶１０の周壁部１２と負極缶２０の周壁部２２との間にガスケット３０を配置することにより、該正極缶１０と負極缶２０とをそれらの外周側で絶縁することができる。また、正極缶１０の周壁部１２と負極缶２０の周壁部２２との間にガスケット３０を挟みこんだ状態で、該正極缶１０の周壁部１２を折り曲げて負極缶２０の周壁部２２にかしめることにより、該ガスケット３０によって正極缶１０の周壁部１２と負極缶２０の周壁部２２との間を封止することができる。すなわち、ガスケット３０は、正極缶１０の周壁部１２と負極缶２０の段部２２ｃとの間に挟みこまれる外筒壁３２、及び、負極缶２０の周壁部２２の開口端と正極缶１０の底部１１との間に挟みこまれるベース部３１が、それぞれ、シールとして機能する。

発電要素４０は、金属多孔質体の空孔内に正極合剤が充填された正極材４１と、金属多孔質体の空孔内に負極合剤が充填された負極材４２と、正極材４１と負極材４２とを絶縁するためのセパレータ４３とを備えている。

図１に示すように、正極材４１及び負極材４２は、正極缶１０及び負極缶２０の間に形成される空間Ｓ内に扁平形電池１の軸線方向に積層されるように配置されている。すなわち、正極材４１及び負極材４２は、それらの厚み方向に積層されている。また、正極材４１は、正極缶１０の内方に位置付けられている一方、負極材４２は、負極缶２０の内方に位置付けられている。正極材４１と負極材４２との間にはセパレータ４３が配置されている。

正極材４１は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の金属多孔質体からなる正極集電体４１ａ（集電体）と、該正極集電体４１ａの空孔内に充填された正極合剤４１ｂ（合剤）とを有する。正極材４１は、粉末状の正極合剤４１ｂを水、Ｎ−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミドなどの溶剤に分散させることにより得られたペーストを、金属多孔質体からなる正極集電体４１ａに含浸させた後、焼成することにより得られる。

正極集電体４１ａを構成する金属多孔質体は、連続した開孔を有する海綿状の多孔質体が好ましい。これにより、充放電サイクルを繰り返しても導電性ネットワークが維持されるため、内部抵抗の増大を防止できるとともに、電極の膨張も抑制できる。金属多孔質体の開孔径は、金属多孔質体に対する前記ペーストの浸潤性の観点から、例えば２０μｍから１ｍｍが好ましい。特に、金属多孔質体の開孔径は、０．５ｍｍが好ましい。

金属多孔質体の開孔率は、６０％よりも大きく９９％以下が好ましい。開孔率が６０％以下では、金属多孔質体に対する前記ペーストの浸潤率が低い。開孔率が９５％の場合には、特に、金属多孔質体に対する前記ペーストの浸潤性が高い。

正極合剤４１ｂは、正極活物質と、導電助剤と、バインダとを混合して形成されている。正極活物質として、マンガン酸リチウム、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、酸化バナジウム、または酸化モリブデン等を用いることができる。導電助剤として、黒鉛、カーボンブラック、またはアセチレンブラック等を用いることができる。バインダとして、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、およびポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等を、単独または混合して用いることができる。

正極集電体４１ａは、シート状の金属多孔質体を、例えば円形状に切断することにより得られる。具体的には、正極集電体４１ａは、図２に示すように、ピナクル型などの加工具５０を用いて所定の形状（本実施形態では円形状）に打ち抜くことにより得られる。そのため、正極集電体４１ａの外周縁部の少なくとも一部には、加工具によって打ち抜く際に、正極集電体４１ａの厚み方向に突出するようにバリ４１ｃが形成される。すなわち、このバリ４１ｃは、打ち抜きバリである。

負極材４２は、銅または銅合金の金属多孔質体からなる負極集電体４２ａ（集電体）と、該負極集電体４２ａの空孔内に充填された負極合剤４２ｂ（合剤）とを有する。負極材４２は、粉末状の負極合剤４２ｂを水、Ｎ−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミドなどの溶剤に分散させることにより得られたペーストを、金属多孔質体からなる負極集電体４２ａに含浸させた後、焼成することにより得られる。

負極集電体４２ａを構成する金属多孔質体は、正極集電体４１ａを構成する金属多孔質体と同様の構成なので、詳しい説明を省略する。

負極合剤４２ｂは、負極活物質と、バインダとを混合して形成されている。負極活物質として、天然黒鉛、メソフェーズカーボン、または非晶質カーボン等を用いることができる。バインダとして、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）およびヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰＣ）等のセルロース、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、アクリルゴム等のゴムバインダ、ＰＴＦＥ、ならびにＰＶＤＦ等を、単独または混合して用いることができる。

負極集電体４２ａは、正極集電体４１ａと同様、シート状の金属多孔質体を、例えば円形状に切断することにより得られる。具体的には、負極集電体４２ａも、正極集電体４１ａと同様、ピナクル型などの加工具を用いて所定の形状（本実施形態では円形状）に打ち抜くことにより得られる。そのため、負極集電体４２ａの外周縁部の少なくとも一部にも、正極集電体４１ａと同様、加工具によって打ち抜く際に、正極集電体４１ａの厚み方向に突出するようにバリ４２ｃが形成される。すなわち、このバリ４２ｃは、打ち抜きバリである。

図１に示すように、正極材４１及び負極材４２は、正極集電体４１ａ及び負極集電体４２ａのそれぞれに設けられたバリ４１ｃ，４２ｃが、セパレータ４３とは反対側に位置するように、セパレータ４３に対して積層されている。より詳しくは、正極材４１及び負極材４２は、正極集電体４１ａのバリ４１ｃが正極缶１０側に向かって突出するとともに、負極集電体４２ａのバリ４２ｃが負極缶２０側に向かって突出するように、積層されている。

セパレータ４３は、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、またはポリフェニルサルフィド（ＰＰＳ）等の、多孔性フィルムによって形成されている。

セパレータ４３の厚みは、正極集電体４１ａに形成されたバリ４１ｃ及び負極集電体４２ａに形成されたバリ４２ｃのそれぞれの突出高さよりも薄い。例えば、正極集電体４１ａ及び負極集電体４２ａの厚みがそれぞれ１ｍｍの場合、バリ４１ｃ、４２ｃの突出高さは約０．１ｍｍである。これに対し、セパレータ４３の厚みは、例えば１０μｍである。

このように、セパレータ４３の厚みが正極集電体４１ａ及び負極集電体４２ａのバリ４１ｃ，４２ｃの突出高さよりも薄い場合には、バリ４１ｃ，４２ｃがセパレータ４３に接触するように正極材４１及び負極材４２をセパレータ４３に対して配置すると、バリ４１ｃ，４２ｃがセパレータ４３を突き抜ける可能性が高い。

これに対し、上述のように、正極集電体４１ａ及び負極集電体４２ａのバリ４１ｃ，４２ｃがセパレータ４３とは反対側に位置するように、正極材４１及び負極材４２をセパレータ４３に対して配置することにより、バリ４１ｃ，４２ｃがセパレータ４３を突き抜けるのを防止できる。

なお、電解液は、有機溶媒にリチウム塩を溶解させた溶液である。有機溶媒として、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、またはγ‐ブチロラクトン等を、単独でまたは２種類以上を混合して用いることができる。リチウム塩として、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、またはＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２等を用いることができる。

（実施形態の効果）
以上の構成では、正極材４１及び負極材４２を、正極集電体４１ａのバリ４１ｃ及び負極集電体４２ａのバリ４２ｃがセパレータ４３とは反対側に突出するように、セパレータ４３に対して配置する。これにより、正極材４１の正極集電体４１ａ及び負極材４２の負極集電体４２ａのそれぞれのバリ４１ｃ，４２ｃが、セパレータ４３を突き抜けるのを防止できる。したがって、扁平形電池１の内部で短絡が生じるのを防止できる。

しかも、正極集電体４１ａのバリ４１ｃが正極缶１０側に突出するとともに負極集電体４２ａのバリ４２ｃが負極缶２０側に突出するように、正極材４１及び負極材４２を積層することにより、バリ４１ｃ，４２ｃを介して正極材４１及び負極材４２をそれぞれ正極缶１０及び負極缶２０により確実に接触させることができる。これにより、正極集電体４１ａのバリ４１ｃ及び負極集電体４２ａのバリ４２ｃによって、正極材４１及び負極材４２をそれぞれ正極缶１０及び負極缶２０に対してより確実に電気的に接続することができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

前記実施形態では、金属多孔質体からなる集電体の空孔内に合剤を充填することにより、正極材４１及び負極材４２を構成している。しかしながら、正極材及び負極材の一方の構成は、金属箔上に合剤を固化させたもの、合剤のみを固化して形成されたもの、金属材料からなるものなど、前記実施形態とは異なる構成であってもよい。

前記実施形態では、正極集電体４１ａは、アルミニウムまたはアルミニウム合金の金属多孔質材料によって構成されており、負極集電体４２ａは、銅または銅合金の金属多孔質材料によって構成されている。しかしながら、正極集電体４１ａは、アルミニウムまたはアルミニウム合金以外の金属多孔質材料によって構成されていてもよいし、負極集電体４２ａは、銅または銅合金以外の金属多孔質材料によって構成されていてもよい。

前記実施形態では、正極集電体４１ａ及び負極集電体４２ａをそれぞれシート状の金属多孔質材料から打ち抜く加工具としてピナクル型を用いている。しかしながら、刃を有する加工具であれば、ピナクル型以外の加工具であってもよい。

前記実施形態では、正極缶１０を外装缶としていて、負極缶２０を封口缶としているが、逆に正極缶が封口缶で、負極缶が外装缶であってもよい。

前記実施形態では、扁平形電池１はコイン状である。しかしながら、扁平形電池１は、四角柱など、他の形状であってもよい。

前記実施形態では、扁平形電池１は、リチウムイオン電池として構成されているが、この限りではなく、他の種類の二次電池であってもよい。また、二次電池ではなく、一次電池であってもよい。

前記実施形態では、正極集電体４１ａはアルミニウムまたはアルミニウム合金の金属多孔質体によって構成され、負極集電体４２ａは銅または銅合金の金属多孔質体によって構成されている。しかしながら、電池として機能可能であれば、正極集電体及び負極集電体を、Ｎｉ−Ｃｒ、ＳＵＳ等の他の金属材料の多孔質体によって構成してもよい。

本発明による扁平形電池は、金属多孔質体によって集電体が構成された薄型の電池に利用可能である。

１ 扁平形電池
１０ 正極缶（外装缶）
２０ 負極缶（封口缶）
４１ 正極材
４１ａ 正極集電体（集電体）
４１ｂ 正極合剤（合剤）
４１ｃ バリ
４２ 負極材
４２ａ 負極集電体（集電体）
４２ｂ 負極合剤（合剤）
４２ｃ バリ
４３ セパレータ
５０ 加工具

Claims (5)

1. 周壁部が軸線方向に延びる有底筒状の外装缶と、
   前記外装缶の開口を覆う有底筒状の封口缶と、
   前記外装缶と前記封口缶との間に形成される空間内に、前記軸線方向に積層された状態で配置される正極材及び負極材と、
   前記正極材と前記負極材との間に配置されるセパレータとを備え、
   前記正極材及び前記負極材の少なくとも一方は、金属多孔質体からなる集電体と、該集電体の空孔内に充填される合剤とを有し、
   前記集電体は、外周縁部の少なくとも一部に、該集電体の厚み方向に突出するバリを有し、
   前記集電体を有する前記正極材及び前記負極材の少なくとも一方は、前記バリが前記セパレータとは反対側に突出するように、該セパレータに対して配置されている、扁平形電池。
2. 請求項１に記載の扁平形電池において、
   前記集電体を有する前記正極材及び前記負極材の少なくとも一方は、前記バリが前記外装缶及び前記封口缶のいずれか一方に接触するように、前記空間内に配置される、扁平形電池。
3. 請求項１または２に記載の扁平形電池において、
   前記セパレータは、その厚みが前記バリの突出高さよりも薄い、扁平形電池。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の扁平形電池において、
   前記集電体は、０．１ｍｍよりも厚い、扁平形電池。
5. 請求項１から４のいずれか一つに記載の扁平形電池において、
   前記集電体は、金属多孔質体のシートを加工具によって打ち抜くことにより形成される、扁平形電池。

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