特許 6844612 円筒形電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6844612

(24)【登録日】2021年3月1日

(45)【発行日】2021年3月17日

(54)【発明の名称】円筒形電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/572 20210101AFI20210308BHJP

   H01M 50/531 20210101ALI20210308BHJP

   H01M 50/342 20210101ALI20210308BHJP

   H01M 50/10 20210101ALI20210308BHJP

   H01M 50/172 20210101ALI20210308BHJP

【ＦＩ】

   H01M2/34 A

   H01M2/26 A

   H01M2/12 101

   H01M2/02 F

   H01M2/06 F

【請求項の数】6

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2018-507248(P2018-507248)

(86)(22)【出願日】2017年3月14日

(86)【国際出願番号】JP2017010121

(87)【国際公開番号】WO2017163999

(87)【国際公開日】20170928

【審査請求日】2020年2月28日

(31)【優先権主張番号】特願2016-61017(P2016-61017)

(32)【優先日】2016年3月25日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000001889

【氏名又は名称】三洋電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104732

【弁理士】

【氏名又は名称】徳田 佳昭

(74)【代理人】

【識別番号】100164035

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 正人

(72)【発明者】

【氏名】原口 心

(72)【発明者】

【氏名】宮田 恭介

(72)【発明者】

【氏名】横山 智彦

【審査官】 太田 一平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−００３７０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１５７１５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１４４０９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１７１８１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／１４７７８２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０２８７９６５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２０１３−５０２０３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ５０／５７２

Ｈ０１Ｍ ５０／１０

Ｈ０１Ｍ ５０／１７２

Ｈ０１Ｍ ５０／３４２

Ｈ０１Ｍ ５０／５３１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電極体と、電解液と、前記電極体と前記電解液を収容する有底筒状の外装缶と、前記外装缶の開口部にかしめ固定された封口体と、を備え、
前記封口体が、円形状の中空部を有する絶縁板を介して弁体と金属板が接合されている電流遮断機構を有し、
前記金属板に円形状又はＣ字形状の薄肉部が形成され、
前記金属板の垂線方向から見て、前記中空部と前記薄肉部が同心円状に配置され、
前記薄肉部の直径をＤ１、前記中空部の直径をＤ２としたとき、Ｄ１／Ｄ２が０．５６以上１以下である、
円筒形電池。

【請求項2】

前記弁体と前記金属板の接合部は高エネルギー線を照射して形成されている請求項１に記載の円筒形電池。

【請求項3】

前記弁体に前記金属板側へ突出する凸部が設けられている請求項１又は２に記載の円筒形電池。

【請求項4】

前記金属板は前記電極体から導出するリードに接合されて内部端子板として機能する請求項１から３のいずれかに記載の円筒形電池。

【請求項5】

前記弁体が電池外部に露出している請求項１から４のいずれかに記載の円筒形電池。

【請求項6】

前記封口体が前記弁体上に配置された端子キャップを有する請求項１から４のいずれかに記載の円筒形電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は電流遮断機構を有する円筒形電池に関する。

【背景技術】

【0002】

密閉型電池は発電要素である電極体を収容する外装体の形状や材質によって円筒形電池、角形電池、及びパウチ型電池に大別される。中でも、円筒形電池は電動工具、電動アシスト自転車、及び電気自動車などの駆動電源として広く使用されている。これらの用途では円筒形電池は直列又は並列に接続された組電池として使用されている。

【0003】

円筒形電池の封口体には安全性を確保するための手段が組み込まれている。特許文献１及び２に開示された円筒形電池の封口体には、電池内圧が増加して所定値に達すると作動する電流遮断機構が組み込まれている。

【0004】

図５は特許文献１に開示された封口体の断面図である。封口体に組み込まれた電流遮断機構は外側アルミニウム箔５１、内側アルミニウム箔５２、及びそれらの間に介在する絶縁板５３を積層して構成されている。絶縁板５３の中央部には中空部が形成されており、外側アルミニウム箔５１と内側アルミニウム箔５２は絶縁板５３の中空部内で互いに接合されている。電池内圧が上昇すると外側アルミニウム箔５１がその圧力を受ける。内側アルミニウム箔５２には外側アルミニウム箔５１との溶接部の周囲に環状の薄肉部５２ａが形成されており、電池内圧が所定値に達すると薄肉部５２ａが破断して、外側及び内側アルミニウム箔５１，５２間の電流経路が遮断される。さらに電池内圧が上昇すると、外側アルミニウム箔５１が破断して電池内部のガスが排出される。このように、外側アルミニウム箔５１は安全弁として機能する。

【0005】

特許文献２の電流遮断機構も特許文献１の場合と同様に、易破断部としての薄肉部が設けられたアルミニウム板を安全弁に溶接して構成されている。そのアルミニウム板は電極体から導出する極板リードに直接接続されて端子板として機能する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平８−３０６３５１号公報

【特許文献2】特開２００９−１１０８０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１や特許文献２に開示された電流遮断機構は、２つの金属板の溶接部ではなく一方の金属板の薄肉部を破断させることで電池内部の電流経路を遮断する。金属板の薄肉部の破断によって作動する電流遮断機構には作動圧の調整が容易であるという利点がある。しかし、電流遮断機構の作動圧にはある程度の範囲でバラツキが存在する。バラツキを考慮すると、作動圧の設計値は低めに設定する必要がある。作動圧のバラツキを低減することができれば作動圧の設計値を高めに設定することができるため、端子板の機械的強度が向上して電池の製造工程における歩留が改善される。また、作動圧のバラツキの低減は電流遮断機構の確実な作動に繋がるため、円筒形電池の安全性向上に寄与することができる。

【0008】

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、作動圧のバラツキが低減された電流遮断機構を有する円筒形電池を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために本発明の一態様に係る円筒形電池は、電極体と、電解液と、電極体と電解液を収容する有底筒状の外装缶と、外装缶の開口部にかしめ固定された封口体と、を含んでいる。封口体が、円形状の中空部を有する絶縁板を介して弁体と金属板が接合されている電流遮断機構を有し、金属板に円形状又はＣ字形状の薄肉部が形成されている。金属板の垂線方向から見て、絶縁板の中空部と金属板の薄肉部が同心円状に配置されている。薄肉部の直径をＤ１、中空部の直径をＤ２としたとき、Ｄ１／Ｄ２は０．５６以上１以下である。

【発明の効果】

【0010】

本発明の一態様によれば、作動圧のバラツキが低減された電流遮断機構を有する円筒形電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は一実施形態に係る非水電解液二次電池の断面図である。

【図2】図２は一実施形態に係る封口体の断面図である。

【図3】図３は一実施形態に係る金属板の平面図である。

【図4】図４は一実施形態に係る絶縁板の平面図である。

【図5】図５は特許文献１に開示された封口体の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明を実施するための形態について円筒形電池の一例である非水電解液二次電池を用いて説明する。なお、本発明は下記の実施形態に限定されず、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することができる。

【0013】

図１は非水電解液二次電池１０の断面図である。有底筒状の外装缶２２の内部に電極体１８が収容されている。電極体１８は、正極板１５と負極板１６をセパレータ１７を介して巻回して作製される。正極板１５及び負極板１６にそれぞれ正極リード１５ａ及び負極リード１６ａが接続されている。そして、正極リード１５ａは封口体１１に、負極リード１６ａは外装缶２２の底部に接続されている。封口体１１が外装缶２２の開口部にガスケット２１を介してかしめ固定されている。外装缶２２の内部には電極体１８とともに図示しない非水電解液が収容されている。

【0014】

図２に示すように、封口体１１は弁体１２、金属板１３、及びそれらの間に介在する絶縁板１４から構成されている。弁体１２の中心部が金属板１３に向けて突出しており、その突出部が金属板１３に接合されている。金属板１３には正極リード１５ａが接続されており、金属板１３が内部端子板として機能する。金属板１３は正極リード１５ａに直接接続される必要はなく、金属板１３と正極リード１５ａの間に他の導電性部材を内部端子板として介在させることもできる。弁体１２の一部は電池外部に露出しており、その露出部を外部機器などに接続することができる。つまり、本実施形態では弁体１２が正極外部端子として機能する。

【0015】

封口体１１は弁体１２、金属板１３及び絶縁板１４から構成される電流遮断機構を有しており、電流遮断機構は次のように作動する。電池内部にガスが発生して電池内圧が上昇すると、弁体１２がその圧力を受ける。電池内圧が所定値に達すると、金属板１３に設けられた薄肉部１３ａが破断して、弁体１２と金属板１３の間の電流経路が遮断される。さらに電池内圧が上昇すると弁体１２が破断して電池内部のガスが排出される。

【0016】

本実施形態の封口体１１は電流遮断機構を構成するのに必要な最小限の要素のみを有しているため、封口体の厚みを低減して非水電解液二次電池の容量を高めることができる。非水電解液二次電池が使用される用途に応じて、端子キャップやＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子などの他の要素を封口体１１に追加することができる。例えば、端子キャップを弁体上に配置して封口体の機械的強度を高めることができる。しかし、弁体の破断時のガス排出経路を十分確保するために本実施形態のように弁体が電池外部に露出していることが好ましい。

【0017】

弁体１２及び金属板１３には可撓性に優れ、非水電解液中で正極電位に曝されても安定に存在できる金属材料を用いることが好ましい。そのような金属材料としてアルミニウム及びアルミニウム合金が例示される。弁体１２と金属板１３はレーザーのような高エネルギー線を照射して互いに接合することができる。

【0018】

図３に示すように、金属板１３には易破断部としての薄肉部１３ａが円形状に形成されている。薄肉部１３ａは金属板１３の中央部に形成されている。薄肉部１３ａは金属板の最外周部の同心円上に形成されている。薄肉部１３ａは金属板１３の最外周部の同心円上にＣ字形状となるように形成してもよい。薄肉部の断面はＶ字形状を有しているが、これに限定されず、例えばＵ字形状とすることもできる。薄肉部１３ａの外側には８個の通気孔１３ｂが形成されている。弁体１２と金属板１３の接合部は薄肉部１３ａの内側に形成されている。

【0019】

薄肉部１３ａの直径Ｄ１は薄肉部１３ａの円周方向に垂直な断面において残肉厚みの最も薄い部分を基準として決定される。もし、薄肉部の断面において残肉厚みの最も薄い部分が平坦である場合は薄肉部の内周側の端部を基準として薄肉部の直径Ｄ１が決定される。なお薄肉部がＣ字形状の場合は、薄肉部が同一円上に形成されていればよく、その円の直径を薄肉部のＤ１とする。

【0020】

図４に示すように、絶縁板１４には中央部に中空部１４ａが形成されている。金属板１３の垂線方向から見て、薄肉部１３ａと中空部１４ａは同心円状に配置されている。金属板１３の垂線方向は弁体１２、金属板１３、及び絶縁板１４の積層方向に一致する。中空部１４ａの周囲には４個の通気孔１４ｂが形成されている。中空部１４ａが存在するため通気孔１４ｂは必ずしも必要ではないが、中空部１４ａだけでは電池内部で発生したガスの経路として十分ではない場合に通気孔１４ｂを形成することが好ましい。絶縁板１４に用いることができる材料としては高分子樹脂材料が好ましく、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂及びポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂が例示される。

【0021】

薄肉部１３ａの直径Ｄ１と中空部１４ａの直径Ｄ２の比（Ｄ１／Ｄ２）は０．５６以上１以下であることが好ましい。Ｄ１／Ｄ２が上記の範囲内にあれば後述する実験結果で示すように電流遮断機構の作動圧のバラツキが低減される。

【実施例】

【0022】

以下、実施例を用いて本実施形態に係る非水電解液二次電池１０をより詳細に説明する。

【0023】

（封口体Ａ１の作製）
弁体１２と、内部端子板としての金属板１３をアルミニウム板のプレス加工により作製した。金属板１３の中央部に円形状の薄肉部１３ａを形成した。薄肉部１３ａの断面はＶ字形状とし、薄肉部１３ａの直径Ｄ１を２．８ｍｍとした。絶縁板１４はポリプロピレン樹脂の射出成型により作製した。絶縁板１４の中空部１４ａの直径Ｄ２を２．８ｍｍとした。弁体１２と金属板１３とはレーザー溶接で接合した。このようにして封口体Ａ１を作製した。

【0024】

（封口体Ａ２〜Ａ６の作製）
絶縁板１４の中空部１４ａの直径Ｄ２を表１に示す値に変更したこと以外は封口体Ａ１と同様にして封口体Ａ２〜Ａ６を作製した。

【0025】

（正極板の作製）
正極活物質としてＬｉＮｉ_０．９１Ｃｏ_０．０６Ａｌ_０．０３Ｏ_２で表されるリチウムニッケル複合酸化物を用いた。１００質量部の正極活物質と、１質量部の導電剤としてのアセチレンブラック（ＡＢ）と、１質量部の結着剤としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を混合し、その混合物をＮ−メチル−２−ピロリドン中で混練して正極合剤スラリーを調製した。その正極合剤スラリーを厚みが１３μｍのアルミニウム箔からなる正極集電体の両面に塗布し、乾燥して正極合剤層を形成した。その正極合剤層を充填密度が３．６ｇ／ｃｍ^３になるようにローラーで圧縮し、圧縮後の極板を所定の寸法に切断して正極板１５を作製した。正極板１５の一部に正極合剤層が形成されていない正極芯体露出部を設け、正極芯体露出部にアルミニウム製の正極リード１５ａを接続した。

【0026】

（負極板の作製）
負極活物質として９３質量部の黒鉛と７質量部の酸化ケイ素（ＳｉＯ）の混合物を用いた。１００質量部の負極活物質と、１質量部の増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）と、１質量部の結着剤としてのスチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）を混合し、その混合物を水中で混練して負極合剤スラリーを調製した。その負極合剤スラリーを厚みが６μｍの銅箔からなる負極集電体の両面に塗布し、乾燥して負極合剤層を形成した。その負極合剤層を充填密度が１．６５ｇ／ｃｍ^３となるようにローラーで圧縮し、圧縮後の極板を所定の寸法に切断して負極板１６を作製した。負極板１６の一部に負極合剤層が形成されていない負極芯体露出部を設け、負極芯体露出部に銅製の負極リード１６ａを接続した。

【0027】

（非水電解液の調製）
エチレンカーボネート（ＥＣ）と、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）と、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）と、を２０：７５：５の体積比で混合して非水溶媒を調製した。その非水溶媒に電解質塩としてのヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を１．４ｍｏｌ／Ｌの濃度になるように溶解して非水電解液を調製した。

【0028】

（電極体の作製）
正極板１５と負極板１６をセパレータ１７を介して巻回することにより電極体１８を作製した。セパレータ１７には、ポリアミドにアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）のフィラーを分散させた耐熱層を片面に形成したポリエチレン製の微多孔膜を用いた。耐熱層が形成された面は正極板に対向するように配置した。

【0029】

（非水電解液二次電池の作製）
電極体１８の上下にそれぞれ上部絶縁板１９及び下部絶縁板２０を配置し、電極体１８を有底筒状の外装缶２２に挿入した。正極リード１５ａを封口体１１に接続し、負極リード１６ａを外装缶２２の底部に接続して注液前電池を作製した。そして、非水電解液を注液前電池へ注入し、封口体１１を外装缶２２の開口部にガスケット２１を介してかしめ固定して外径が１８ｍｍ、高さが６５ｍｍの円筒形の非水電解液二次電池１０を作製した。封口体には封口体Ａ１を用いた。

【0030】

（電流遮断機構の作動圧の測定）
実施例で説明した注液前電池の外装缶の開口部にガスケットを介して封口体Ａ１〜Ａ６をかしめ固定して作動圧測定用電池を作製した。作動圧測定用電池には非水電解液が注入

されていない。作動圧測定用電池の底部に直径３ｍｍの貫通孔を形成し、銅管を挿入して外装缶と銅管の間にシール剤を塗布した。そして、銅管を経由して作動圧測定用電池内に空気を注入し、電流遮断機構が作動するまで電池内圧を上昇させて電流遮断機構の作動圧を測定した。このような測定を封口体Ａ１〜Ａ６の各１０個について行い、封口体Ａ１〜Ａ６のそれぞれの作動圧の標準偏差を算出した。その結果を表１にまとめて示す。

【0031】

【表1】

【0032】

表１から、絶縁板の中空部の直径に対する金属板の薄肉部の直径の比（Ｄ１／Ｄ２）が大きくなるほど作動圧のバラツキが小さくなることがわかる。封口体Ａ１〜Ａ４はいずれも作動圧の標準偏差が０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下とバラツキが非常に小さい。特に、Ｄ１／Ｄ２が０．７〜１の範囲ではバラツキの低減効果が極大となる。このような効果が発揮される理由として、金属板に当接している絶縁板が薄肉部に隣接していることで、電池内圧上昇時に金属板の薄肉部以外の部分の変形が抑制されていることが考えられる。これらの結果から、Ｄ１／Ｄ２は０．５６以上１以下であることが好ましく、０．７以上１以下であることがより好ましい。

【0033】

上記の本発明の効果は外装缶に収容される電極体や電解液を構成する材料への依存性は低い。そのため、上記の実施例で用いた電極体や電解液を構成する材料を他の公知の材料に置き換えても本発明の効果は均しく発揮される。

【産業上の利用可能性】

【0034】

以上説明したように本発明によれば、作動圧のバラツキが少ない電流遮断機構を有する円筒形電池を提供することができる。本発明は円筒形電池に広く適用可能であるため、その産業上の利用可能性は大きい。

【符号の説明】

【0035】

１０ 非水電解液二次電池
１１ 封口体
１２ 弁体
１３ 金属板
１３ａ 薄肉部
１４ 絶縁板
１４ａ 中空部
１８ 電極体
２２ 外装缶

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】