JP7732968B2 - 円筒形電池 - Google Patents

Description

本開示は、円筒形電池に関する。

円筒形電池は、電極体及び電解質を収容する有底円筒状の外装缶と、外装缶の開口部を塞ぐ封口体とを有する（例えば、特許文献１）。上記円筒形電池の封口体では、ラプチャ板と内部端子板とが絶縁板を介して積層され、ラプチャ板と内部端子板とが溶接接合されて封口体内部の電流経路を形成している。封口体では、異常時に円筒形電池の内圧が上昇するとラプチャ板が変形して内部端子板を破断して当該電流経路を遮断し、さらに内圧が上昇するとラプチャ板が破断して円筒形電池の内部のガスの排出口を形成する。つまり、封口体は、電流遮断及び排気の２つの安全機能を有する。

国際公開第２０１６／１５７７４９号

封口体は、金属及び樹脂からなる複数の部品から構成される。封口体を構成するそれぞれの部品は、上述した電流遮断と排気とを段階的に作動させるために複雑かつ高精度な形状を有することが必要となる。複雑かつ高精度な形状を有する部品は加工コストが大きくなる。円筒形電池の製造コストを低減するため、封口体の部品点数を削減することが求められる。

本開示の目的は、電流遮断と排気の安全機能を有する封口体の部品点数を削減することができる円筒形電池を提供することである。

本開示の一態様である円筒形電池は、正極と負極とがセパレータを介して巻回された電極体と、電解質と、電極体及び電解質を収容する有底円筒状の外装缶と、外装缶の開口部を塞ぐ封口体と、を有する円筒形電池であって、封口体は、環状の薄肉部が形成されるラプチャ板と、薄肉部と対向するようにラプチャ板の内面側に配置される環状の絶縁板と、を有し、ラプチャ板は、薄肉部に囲まれた弁部を含み、弁部は、絶縁板の内面の少なくとも内周部を覆うようにラプチャ板の径方向外側に向かって延出する係止部を含む。

本開示の一態様によれば、電流遮断と排気の安全機能を有する封口体の部品点数を削減することができる。

図１は、実施形態の一例である円筒形電池の断面図である。 図２は、実施形態の一例である封口体の断面図である。 図３は、実施形態の一例である封口体の電流遮断時の断面図である。

以下、図面を用いて本開示の実施形態を説明する。以下で説明する形状、材料及び個数は、説明のための例示であって、円筒形電池の仕様に応じて適宜変更することができる。以下では、全ての図面において同等の要素には同一の符号を付して説明する。

図１を用いて、実施形態の一例である円筒形電池１０について説明する。図１は、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、電極体１４と、電解質と、電極体１４及び電解質を収容する外装缶２０と、外装缶２０の開口部を塞ぐ封口体３０とを有する。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とがセパレータ１３を介して渦巻き状に巻回された構造を有する。また、以下では、説明の便宜上、円筒形電池１０の封口体３０側（外装缶２０の開口部側）を上、外装缶２０の底面部２０Ａ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、アルミニウム合金等、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、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。正極１１は、正極芯体上に正極活物質、導電剤、結着剤等を含む正極合剤スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、塗膜を圧縮して正極合剤層を芯体の両面に形成することにより製造できる。

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等を用いることができる。負極合剤層は、負極活物質、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等が用いられる。負極１２は、負極芯体上に負極活物質、結着剤等を含む負極合剤スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、塗膜を圧縮して負極合剤層を芯体の両面に形成することにより製造できる。

電解質には、例えば非水電解質が用いられる。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。非水溶媒には、エステル類、エーテル類、ニトリル類、アミド類、これらの２種以上の混合溶媒等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。なお、非水電解質は液体電解質に限定されず、固体電解質であってもよい。電解質塩には、例えばＬｉＰＦ_６等のリチウム塩が使用される。電解質の種類は特に限定されず、水系電解質であってもよい。

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１５，１６を有する。図１に示す例では、正極１１に接続された正極リード１７が絶縁板１５の貫通孔を通って封口体３０側に延び、負極１２に接続された負極リード１８が絶縁板１６の外側を通って外装缶２０の底面部２０Ａ側に延びている。正極リード１７は封口体３０を構成するラプチャ板３１の後述するフランジ部３１Ｃの底面に溶接等で接続され、ラプチャ板３１が正極外部端子となる。負極リード１８は外装缶２０の底面部２０Ａの内面に溶接等で接続され、外装缶２０が負極外部端子となる。

円筒形電池１０は、上述したように、外装缶２０と、外装缶２０の開口部を塞ぐ封口体３０とを有する。外装缶２０は、底面部２０Ａと側面部２０Ｂとを含む、有底円筒状の金属製容器である。底面部２０Ａは円板状を呈し、側面部２０Ｂは底面部２０Ａの外周縁に沿って円筒状に形成される。封口体３０は、外装缶２０の開口部にガスケット２１を介して加締め固定されるラプチャ板３１を有する。

ラプチャ板３１は、外装缶２０の溝入部２０Ｃによって支持され、外装缶２０の加締め部２０Ｄによって加締め固定される。溝入部２０Ｃは、外装缶２０の開口部近傍において側面部２０Ｂの一部が内側に張り出して、外装缶２０の周方向に沿って環状に形成される。加締め部２０Ｄは、開口端部において外装缶２０の周方向に沿って環状に形成される。

図２及び図３を用いて、封口体３０について詳細に説明する。図２は、封口体３０の断面図であり、図３は、封口体３０の電流遮断時の断面図である。

封口体３０は、上述したように外装缶２０の開口部を塞ぐ部材である。また、封口体３０は、円筒形電池１０の異常時に円筒形電池１０の内圧が上昇すると円筒形電池１０における電流経路を遮断し、さらに内圧が上昇すると円筒形電池１０の内部のガスを排気する機能を有する。封口体３０は、図２に示すように、環状の薄肉部３１Ａが形成されるラプチャ板３１と、薄肉部３１Ａと対向するようにラプチャ板３１の内面側（底面側）に配置される環状の絶縁板３２とを有する。

ラプチャ板３１は、薄肉部３１Ａよりもラプチャ板３１の径方向内側に形成される弁部３１Ｂと、薄肉部３１Ａよりもラプチャ板３１の径方向外側に形成されるフランジ部３１Ｃとを含む。また、弁部３１Ｂは、絶縁板３２の底面の内周部を覆うようにラプチャ板３１の径方向外側に向かって延出する係止部３１Ｄを含む。

次に、封口体３０の電流遮断及び排気の作動について詳細に説明する。図３に示すように、円筒形電池１０の異常時に内圧が上昇すると、当該内圧によってラプチャ板３１が上側へ向かって押し上げられる。このとき、絶縁板３２は係止部３１Ｄから上側へ向かって押し上げる力を受けることにより、絶縁板３２の外面（上面）及び内面（下面）がそれぞれ段差面３１Ｇ及び係止部３１Ｄに密着する。これにより、薄肉部３１Ａの一部が破断した場合でも、円筒形電池１０の密封状態が維持されるため、さらに内圧が上昇して弁部３１Ｂがフランジ部３１Ｃから完全に分離する。弁部３１Ｂとフランジ部３１Ｃは絶縁板３２によって電気的な接続が防止されるため、弁部３１Ｂとフランジ部３１Ｃの間の電流経路が遮断される。なお、薄肉部３１Ａの破断時の円筒形電池１０の密封状態は、弁部３１Ｂがフランジ部３１Ｃから完全に分離できるように内圧が上昇する程度に確保されていれば十分である。

電流経路の遮断後、さらに円筒形電池１０の内圧が上昇すると、係止部３１Ｄ及び絶縁板３２の少なくとも一方が変形又は破断することによって、弁部３１Ｂが吹き飛ばされてラプチャ板３１に排気口が形成される。当該排気口から円筒形電池１０の内部のガスが排出される。

ラプチャ板３１は、平面視において略円板状に形成され、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金の板材のプレス加工により作製される。

薄肉部３１Ａは、円筒形電池１０の異常時に円筒形電池１０の内圧が上昇した場合に、ラプチャ板３１において破断する部分である。薄肉部３１Ａは、平面視において環状に形成される。薄肉部３１Ａは、断面視においてＵ字状又はＶ字状に形成される。

弁部３１Ｂは、薄肉部３１Ａに囲まれた略円盤状に形成される。弁部３１Ｂは、下端部に形成される係止部３１Ｄと、側周面３１Ｅとを含む。

フランジ部３１Ｃは、外装缶２０の溝入部２０Ｃによって支持され、外装缶２０の加締め部２０Ｄによって加締め固定される部分である。フランジ部３１Ｃの底面には、上述した正極リード１７が溶接等で接続される。

係止部３１Ｄは、絶縁板３２の内面を覆うようにラプチャ板３１の径方向外側に向かって延出している。係止部３１Ｄは、絶縁板３２の内面の全てを覆う必要はないが、絶縁板３２の内面のうち少なくとも内周部を覆うことが好ましい。そのため係止部３１Ｄは、平面視で側周部３１Ｅの周囲に環状に形成されていることが好ましい。これにより、薄肉部３１Ａの破断時に絶縁板３２の内面と係止部３１Ｄの間からのガスの排出が抑制される。

薄肉部３１Ａの破断時の円筒形電池１０の密封状態を確保するため、係止部３１Ｄは、係止部３１Ｄの径方向外側の先端面３１Ｆが薄肉部３１Ａよりも径方向外側に位置するように形成されることがより好ましい。

段差面３１Ｇは、薄肉部３１Ａの破断時に絶縁板の外面に密着する。これにより、薄肉部３１Ａの破断時に絶縁板３２の外面と段差面３１Ｇの間からのガスの排出が抑制される。段差面３１Ｇは、フランジ部３１Ｃの底面部の内周側が環状に切り欠かれて形成される。段差面３１Ｇは、薄肉部３１Ａの破断時に絶縁板の外面とラプチャ板３１の間からのガスの排出を抑制する機能を有していれば十分であり、必ずしもフランジ部３１Ｃと段差面３１Ｇの間に段差を設ける必要はない。

絶縁板３２は、平面視において環状に形成される。また、絶縁板３２は、絶縁板３２の上面と、薄肉部３１Ａの底面及びフランジ部３１Ｃの段差面３１Ｇとの間に隙間を設けて配置されている。その隙間は必ずしも必要ではない。薄肉部３１Ａの破断時の円筒形電池１０の密封状態の確保という観点から、側周部３１Ｅが絶縁板３２の開口部に圧入されていることが好ましい。

円筒形電池１０によれば、ラプチャ板３１と絶縁板３２により電流遮断及び排気の安全機能を維持しつつ封口体３０の部品点数を削減することができる。例えばラプチャ板と内部端子板との間に絶縁板が介される従来の封口体と比較して、内部端子板を削減することができる。これにより、封口体３０の製造コストを低減することができる。

また、円筒形電池１０によれば、例えばラプチャ板と内部端子板とが溶接接合されて電流経路を形成する従来の封口体と比較して、溶接箇所が削減され、溶接を行う製造工程を削減することができる。これにより、封口体３０の製造コストを低減することができる。

さらに、円筒形電池１０によれば、電流遮断と排気の安全機能を維持しつつ封口体３０の厚みを小さくすることができる。これにより、円筒形電池１０の内部において電極体１４の占める体積を大きくすることができ、ひいては円筒形電池１０のエネルギー密度を高くすることができる。

なお、本発明は上述した実施形態及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。例えば、本実施形態では、封口体３０の最外部に配置されるラプチャ板３１が正極外部端子となる構成としたが、これに限定されない。例えば、封口体３０の最外部にキャップを配置してキャップが正極外部端子となる構成であってもよい。

以下、実施例により本開示をさらに説明するが、本開示はこれらの実施例に限定されるものではない。

＜実施例＞
[封口体の作製]
アルミニウムの板材をプレス加工してラプチャ板を作製した。ラプチャ板の中央部に略環状の薄肉部を形成し、薄肉部の径方向内側を弁部とし、径方向外側をフランジ部とした。弁部の下端部に環状の係止部を側周部に沿って形成した。フランジ部の内面の径方向内側に段差面を形成した。絶縁板が薄肉部に対向するように弁部の側周面を略環状のポリマー樹脂製の絶縁板に圧入して、封口体を作成した。

＜比較例＞
弁部の下端部に係止部を形成しない以外は実施例に係る封口体と同様として封口体を作製した。

[作動圧の測定]
実施例及び比較例の封口体を用意し、電流遮断機構と排気機構が作動する作動圧を測定した。封口体の内面側（下面側）から窒素ガスが供給されるように封口体を試験装置に固定した。このとき、封口体の内面と窒素ガスの供給経路は密閉された空間を形成している。そして、封口体の内面側へ窒素ガスを供給して、弁部とフランジ部の間の電流経路が遮断された時点での作動圧（電流遮断圧）と、排気口が形成された時点での作動圧（排気圧）を測定した。表１に結果をまとめて示す。

実施例では、電流遮断圧及び排気圧はそれぞれ２．５ＭＰａ及び３．０ＭＰａであった。すなわち、電池の内圧が２．５ＭＰａに達したときに弁部がフランジ部から完全に分離して電流経路が遮断され、その後も内圧が３．０ＭＰａに達するまで電池の密封性が維持されていた。そして、内圧が３．０ＭＰａに達したときに弁部が吹き飛ばされて排気口が形成された。つまり、薄肉部の破断から排気口の形成まで電池の密封状態が維持されていたことがわかる。

一方、比較例では、２．５ＭＰａの排気圧のみが測定され、電流遮断圧は測定されなかった。すなわち、比較例では係止部を形成しなかったため、薄肉部の一部が破断した際に電池が密封状態とならずに弁部がフランジ部から完全に分離されることなく電池内部のガスが排出された。以上の結果から、実施例のように係止部を設けることにより、封口体に電流遮断と排気の安全機能を実現できることがわかる。

１０ 円筒形電池、１１ 正極、１２ 負極、１３ セパレータ、１４ 電極体、１５ 絶縁板、１６ 絶縁板、１７ 正極リード、１８ 負極リード、２０ 外装缶、２０Ａ 底面部、２０Ｂ 側面部、２０Ｃ 溝入部、２０Ｄ 加締め部、２１ ガスケット、３０ 封口体、３１ ラプチャ板、３１Ａ 薄肉部、３１Ｂ 弁部、３１Ｃ フランジ部、３１Ｄ、係止部、３１Ｅ 側周面、３１Ｆ 先端面、３１Ｇ 段差面、３２ 絶縁板。

Claims (1)

1. 正極と負極とがセパレータを介して巻回された電極体と、電解質と、前記電極体及び前記電解質を収容する有底円筒状の外装缶と、前記外装缶の開口部を塞ぐ封口体と、を備える円筒形電池であって、
   前記封口体は、環状の薄肉部が形成されるラプチャ板と、前記薄肉部と対向するように前記ラプチャ板の内面側に配置される環状の絶縁板と、を有し、
   前記ラプチャ板は、前記薄肉部に囲まれた弁部を含み、
   前記弁部は、前記絶縁板の内面の少なくとも内周部を覆うように前記ラプチャ板の径方向外側に向かって延出する係止部を含み、
   前記係止部の先端位置は、前記薄肉部よりも前記ラプチャ板の径方向外側に位置する、
   円筒形電池。