WO2023167010A1

WO2023167010A1 - 円筒形電池

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Publication number: WO2023167010A1
Application number: PCT/JP2023/005675
Authority: WO
Inventors: 修一山下; 孝博福岡; 加奈鈴木
Original assignee: Panasonic Energy Co Ltd
Current assignee: Panasonic Energy Co Ltd
Priority date: 2022-03-04
Filing date: 2023-02-17
Publication date: 2023-09-07
Anticipated expiration: 2024-09-04
Also published as: CN118765462A; US20250183429A1; EP4489214A4; JPWO2023167010A1; EP4489214A1

Abstract

円筒形電池（１０）は、電極体（１４）を収容する有底筒状の外装缶（１６）と、外装缶（１６）の開口部を曲げて形成されるかしめ部（３１）に、ガスケット（１８）を介してかしめて固定される封口体（１７）とを備える。封口体（１７）は、かしめ部（３１）にかしめられるフランジ部（２８ｂ）を有するキャップ（２８）を有し、キャップ（２８）のフランジ部（２８ｂ）は、板厚を薄く形成された凹部（２８ｃ）を有し、ガスケット（１８）は、かしめ部（３１）の先端から突出する突出部（１８ａ）が凹部（２８ｃ）に収まる。

Description

円筒形電池

　本開示は、円筒形電池に関する。

　リチウムイオン電池の用途は、車載、動力、蓄電へと広がりを見せている。製品への搭載は、セルを多数直列および／または並列に接続しモジュール化して行われる。セルの電気接続には、プラス側をキャップ天面のセル正極、マイナス側をセルのかしめ部（かしめ肩部）で接続する片側面接続の顧客要望が増えてきている。

　特許文献１には、外装缶の開口部にガスケットを介して封口体をかしめることにより密閉した円筒形電池が記載されている。

特開２００８－２８２６７９号公報

　特許文献１等に記載の円筒形電池を片側面接続によって、かしめ肩部で連結板を溶接する際に、かしめ肩部と連結板の間に隙間があると溶接不良が生じる。この隙間が生じる要因は、かしめ肩部よりも上方に、ガスケットがせりあがり、連結板にガスケットが干渉することによる。この対策として、かしめ部の先端から突出するガスケットを短くすることが考えられる。しかし、かしめ部の先端から突出するガスケットを短くすると、かしめ部の先端とキャップの絶縁性能が低下するおそれがある。

　本開示の目的は、かしめ肩部で連結板を溶接する際に、かしめ肩部と連結板の間に隙間が生じることがなく、溶接品質を確保することが可能な円筒形電池を提供することである。

　本開示に係る円筒形電池は、電極体を収容する有底筒状の外装缶と、外装缶の開口部を曲げて形成されるかしめ部に、ガスケットを介してかしめて固定される封口体とを備える。封口体は、かしめ部にかしめられるフランジ部を有するキャップを有し、キャップのフランジ部は、板厚を薄く形成された凹部を有し、ガスケットは、かしめ部の先端から突出する突出部が凹部に収まることを特徴とする。

　本開示に係る円筒形電池は、かしめ部の先端から突出するガスケットが、かしめ肩部より上方に位置することが無く、従って、かしめ肩部で連結板を溶接する際に、かしめ肩部と連結板の間に隙間が生じることがなく、溶接品質を確保することができる。

実施形態の円筒形電池の側面図および一部断面図である。実施形態の封口体の平面図である。第１の実施形態の円筒形電池において、かしめ肩部で連結板を溶接する際のかしめ部近傍の拡大断面図である。第２の実施形態の円筒形電池において、かしめ肩部で連結板を溶接する際のかしめ部近傍の拡大断面図である。従来の円筒形電池において、かしめ肩部で連結板を溶接する際のかしめ部近傍の拡大断面図である。

　以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下の説明において、具体的な形状、材料、方向、数値等は、本開示の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等に合わせて適宜変更することができる。また、以下で説明する実施形態および変形例の構成要素を選択的に組み合わせることは当初から想定されている。

　以下、図面を参照しながら、本開示に係る円筒形電池１０の実施形態の一例について詳説する。図１は、実施形態の一例である円筒形電池１０の側面図および一部の断面図である。

　＜第１の実施形態＞
　図１に示すように、円筒形電池１０は、底面部１６ａおよび側面部１６ｂを含む有底円筒状の外装缶１６と、外装缶１６の開口を塞ぐ封口体１７、外装缶１６と封口体１７の間に介在するガスケット１８とを備える。また、円筒形電池１０は、外装缶１６に収容される電極体１４および電解質を備える。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。

　本明細書では、説明の便宜上、外装缶１６の軸方向に沿った方向を「縦方向または上下方向」とし、円筒形電池１０の封口体１７側（外装缶１６の開口側）を上、外装缶１６の底面部１６ａ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、アルミニウム合金など、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、および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。

　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などを用いることができる。負極合剤層は、負極活物質、およびスチレン－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などが用いられる。

　電解質は、水系電解質であってもよく、非水電解質であってもよい。また、液体電解質、固体電解質のいずれであってもよい。本実施形態では、非水電解質を用いるものとする。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。非水溶媒としては、例えば、エステル類、エーテル類、ニトリル類、アミド類、およびこれらの２種以上の混合溶媒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。電解質塩には、例えば、ＬｉＰＦ_６等のリチウム塩が用いられる。

　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１９、２０を備える。図１に示す例では、正極１１に接続された正極タブ２１が絶縁板１９の貫通孔を通って封口体１７側に延びている。負極１２の最外周および最内周にそれぞれ負極タブ２２が接続され、負極１２の最外周に接続された負極タブ２２は絶縁板２０の外側を通って外装缶１６の底面部１６ａ側に延び、負極１２の最内周に接続された負極タブ２２は絶縁板２０の貫通孔を通って外装缶１６の底面部１６ａに延びている。正極タブ２１は封口体１７の底板である端子板２５に溶接等で接続され、端子板２５と電気的に接続された封口体１７のキャップ２８が正極外部端子となる。負極タブ２２は外装缶１６の底面部１６ａの内面に溶接等で接続され、外装缶１６が負極外部端子となる。封口体１７の詳細な構造については後述する。

　外装缶１６は、軸方向一端（上端）が開口した金属製容器であって、底面部１６ａが円板状を呈し、側面部１６ｂが底面部１６ａの外周縁に沿って円筒状に形成されている。封口体１７は、外装缶１６の開口の形状に対応する円板状に形成されている。ガスケット１８は、樹脂製の環状部材であって、電池内部の密閉性を確保すると共に、外装缶１６および封口体１７の電気的な絶縁を確保する。

　外装缶１６には、開口縁部（上端部）が内側に曲げられ、ガスケット１８を介して封口体１７を押え付けるかしめ部３１が形成されている。また、外装缶１６には、側面部１６ｂが外側から内側に張り出して形成され、ガスケット１８を介して封口体１７を支持する溝入部３０が形成されている。溝入部３０は、側面部１６ｂの外側からのスピニング加工により、外装缶１６の周方向に沿って環状に形成される。

　かしめ部３１は、封口体１７およびガスケット１８を介して溝入部３０と対向し、溝入部３０と共に封口体１７を挟持する。かしめ部３１は、溝入部３０と同様に、外装缶１６の周方向に沿って環状に形成され、ガスケット１８を介して封口体１７の周縁部を上から押え付けている。かしめ部３１は、外装缶１６の軸方向に最も高い部分であるかしめ肩部３１ａを有している。

　封口体１７は、ＣＩＤ機構（電流遮断機構）を備えた円板状の部材である。封口体１７は、電極体１４側から順に、端子板２５、絶縁板２７、ラプチャーディスク２６およびキャップ２８が積層された構造を有する。端子板２５は、正極タブ２１が接続される環状部、および電池の内圧が所定の閾値を超えたときに環状部から切り離される薄肉の中央部を含む金属板である。

　ラプチャーディスク２６は、絶縁板２７を挟んで端子板２５と対向配置される。ラプチャーディスク２６は、電池の内圧が所定の閾値を超えたときに破断する弁体２６ａと、外周側にかしめ部３１にかしめられる外周部を有している。弁体２６ａは、端子板２５の中央部と溶接等で接続されている。電池に異常が発生して内圧が上昇し、ＣＩＤ機構の作動圧を超えると、端子板２５が破断して中央部が環状部から切り離され、弁体２６ａが電池の外側に向かって凸となるように変形する。これにより、電流経路が遮断される。電池の内圧がさらに上昇しベント圧を超えると、弁体２６ａが破断してガスの排出口が形成される。

　ここで従来構造の円筒形電池１００において、かしめ肩部１３１ａの溶接不良が起こる原因について説明する。図５は、円筒形電池１００において、かしめ肩部１３１ａで連結板１４０を溶接する際のかしめ部１３１近傍の拡大断面図である。

　図５の従来構造の円筒形電池１００は、キャップ１２８のフランジ部１２８ｂ以外の構造は、図１に示す本実施形態の円筒形電池１０と同じである。円筒形電池１００のキャップ１２８のフランジ部１２８ｂは、平坦で一様な板厚の環状をしている。

　従来構造の円筒形電池１００において、かしめ部１３１が、ガスケット１１８を介して、外装缶１１６の開口縁部でキャップ１２８のフランジ部１２８ｂとラプチャーディスク１２６をかしめて形成される点は同じである。従来構造の円筒形電池１００は、かしめ部１３１の径方向内周側の先端部１３１ｂで、ガスケット１１８はフランジ部１２８ｂに上から押し付けられて最も変形する。このため、ガスケット１１８の突出部１１８ａは、かしめ部１３１の先端部１３１ｂを起点として、フランジ部１２８ｂから反発して上方にせりあがる。従って、ガスケット１１８の突出部１１８ａの径方向の長さが長いと、ガスケット１１８の突出部１１８ａの先端がかしめ肩部１３１ａを超えて上方に位置することになる。

　この状態の円筒形電池１００において、かしめ肩部１３１ａで連結板１４０を溶接する際に、ガスケット１１８の突出部１１８ａの先端が連結板１４０と干渉して、図５に示すように連結板１４０とかしめ肩部１３１ａの間に隙間ｄが生じる。従って、隙間ｄがあるために、連結板１４０とかしめ肩部１３１ａの溶接不良を起こすことがある。

　次に図１を参照して、第１の実施形態の円筒形電池１０の封口体１７の構造において、連結板４０の溶接不良を抑制する理由について説明する。

　本実施形態の円筒形電池１０は、電極体１４を収容する有底筒状の外装缶１６と、外装缶１６の開口部を曲げて形成されるかしめ部３１に、ガスケット１８を介してかしめて固定される封口体１７とを備えている。封口体１７は、中央部に上方に突出する凸部２８ａと、凸部２８ａの外周側にフランジ部２８ｂを有するキャップ２８を有している。キャップ２８のフランジ部２８ｂは、板厚を薄く形成された凹部２８ｃを有しており、ガスケット１８は、かしめ部３１の径方向の先端から突出する突出部１８ａが凹部２８ｃに収まるように構成されている。

　本実施形態の円筒形電池１０は、フランジ部２８ｂの凹部２８ｃの板厚が薄く形成されているので、かしめ部３１の先端部３１ｂでガスケット１８を押え付けることによって、ガスケット１８の突出部１８ａの先端は凹部２８ｃに収まるように変形する。従って、ガスケット１８の先端が、かしめ肩部３１ａよりも上方に位置することが無い。円筒形電池１０を外部端子に接続する際に、連結板４０は、かしめ肩部３１ａと隙間なく接触させることができ、確実に溶接することが可能となる。本実施形態の封口体１７の構成によって、外部端子の溶接の品質を確保することが可能となる。

　図２、３を参照して更に本実施形態の円筒形電池１０の封口体１７およびかしめ部３１の構造について更に説明する。図２は、本実施形態の円筒形電池１０を上方から見た図である。図３は、かしめ肩部３１ａで連結板４０を溶接する際のかしめ部３１近傍の拡大断面図である。

　かしめ部３１は、外装缶１６の開口縁部から径方向内側に延びる環状に形成されている。かしめ部３１は、ガスケット１８を介してフランジ部２８ｂとラプチャーディスク２６をかしめて押え付けている。フランジ部２８ｂには、かしめ部３１の内周側の先端部３１ｂから内周側に環状の凹部２８ｃが形成されている。ガスケット１８は、かしめ部３１の内周側の先端部３１ｂから径方向内側に突出する突出部１８ａを有している。ガスケット１８の突出部１８ａは、フランジ部２８ｂの凹部２８ｃに納まっている。フランジ部２８ｂの更に内周側には、凸部２８ａが形成されている。凸部２８ａには、複数の孔２８ｄが形成されているが、これは必須の構成ではない。

　図３に示すように、ガスケット１８の突出部１８ａの径方向の長さをｒ、凹部２８ｃの径方向の長さをＲとしたとき、凹部２８ｃは、Ｒ＞ｒとなるように形成されている。このように形成することによって、ガスケット１８の突出部１８ａは、確実に突出部１８ａの先端が凹部２８ｃに収まる。よって、ガスケット１８の突出部１８ａがかしめ肩部３１ａの上方にせりあがることが無く、かしめ肩部３１ａで連結板４０を溶接する際に、かしめ肩部３１ａと連結板４０の間に隙間が生じることが無い。よって、本実施形態の円筒形電池１０は、かしめ肩部３１ａでの連結板４０の溶接不良を抑制する構造を有している。

　かしめ部３１の内周側の先端部３１ｂの位置と、凹部２８ｃの外周側の縁の位置は略同一に形成することが好ましい。凹部２８ｃの外周側の縁の位置が、かしめ部３１の先端部３１ｂよりも内周側にあると、先端部３１ｂがガスケット１８をフランジ部２８ｂの平坦部で押え付けることになり、従来構造と同じように、ガスケット１８の突出部１８ａが、先端部３１ｂを起点として、フランジ部２８ｂから上方へ反発し、上方にせりあがるおそれがあるためである。

　＜第２の実施形態＞
　図４は、第２の実施形態の円筒形電池１０のかしめ肩部３１ａで連結板４０を溶接する際のかしめ部３１近傍の拡大断面図である。第２の実施形態の円筒形電池１０を上から見た図は、第１の実施形態と同様であるので図示を省略する。第２の実施形態の円筒形電池１０は、第１の実施形態の円筒形電池１０とは、フランジ部２８ｂに設けた凹部２８ｃの断面形状において異なる。

　本実施形態においても、ガスケット１８の突出部１８ａの径方向の長さをｒ、凹部２８ｃの径方向の長さをＲとしたとき、凹部２８ｃは、Ｒ＞ｒとなるように形成されている。このように形成することによって、ガスケット１８の突出部１８ａは、確実に突出部１８ａの先端が凹部２８ｃに収まる。

　更に、第２の実施形態の凹部２８ｃは、凹部２８ｃの外周側の縁から径方向の内周側に向かって板厚が薄くなる傾斜を有するように形成されている。凹部２８ｃの外周側の縁の位置は、かしめ部３１の内周側の先端部３１ｂの位置と、略同一に形成されている。従って、本実施形態の円筒形電池１０のガスケット１８は、かしめ部３１の先端部３１ｂから凹部２８ｃの傾斜に沿って緩やかに下方に傾斜することになる。

　第２の実施形態の凹部２８ｃは、傾斜を設けることで、ガスケット１８の上方へのせり上がりを抑制するとともに、フランジ部２８ｂの外周側に板厚を確保することで、強度低下を抑制することができる。

　更に第２の実施形態の凹部２８ｃは、かしめ部３１の先端部３１ｂ近傍から徐々に板厚が薄くなるように傾斜を形成したので、かしめ部３１の先端部３１ｂの位置が径方向の内側に延びた場合にも、封口体１７の密閉性を高くすることができる。

　以上、説明した様に本開示の円筒形電池１０は、キャップ２８のフランジ部２８ｂに凹部２８ｃを設けることで、外装缶１６をかしめた後にガスケット１８の突出部１８ａが、かしめ肩部３１ａよりも上方へせりあがることが抑制される。よって、かしめ部３１からのガスケット１８の突出部１８ａを短くする必要が無いので、かしめ部３１の先端部３１ｂとキャップ２８の絶縁性能が低下するおそれが無く、かしめ肩部３１ａで連結板４０を溶接する際の溶接品質を確保することができる。

　次に実施例によって、本開示の円筒形電池１０におけるガスケット１８のかしめ部３１から上方への突出抑制を検証した結果について説明する。以下の条件の円筒形電池１０を作製し、ガスケット１８がかしめ肩部３１ａよりも上方に突出するか否かを検証した。実施例１～４の円筒形電池１０および比較例の円筒形電池１００は、それぞれ１００個作製した。

　＜実施例１＞
　図３に示す第１の実施形態の円筒形電池１０において、凹部２８ｃの径方向の長さＲ＝１．３ｍｍ、深さｈ＝０．１０ｍｍを有する円筒形電池１０を作製した。尚、フランジ部２８ｂの厚みは０．４ｍｍとした。

　＜実施例２＞
　図３に示す第１の実施形態の円筒形電池１０において、凹部２８ｃの径方向の長さＲ＝１．３ｍｍ、深さｈ＝０．１５ｍｍを有する円筒形電池１０を作製した。他は実施例１と同様である。

　＜実施例３＞
　図４に示す第２の実施形態の円筒形電池１０において、凹部２８ｃの傾斜角度θ＝１０°、径方向の長さＲ＝１．３ｍｍ、深さｈ＝０．２３ｍｍを有する円筒形電池１０を作製した。他は実施例１と同様である。

　＜実施例４＞
　図４に示す第２の実施形態の円筒形電池１０において、凹部２８ｃの傾斜角度θ＝１２°、径方向の長さＲ＝１．３ｍｍ、深さｈ＝０．２８ｍｍを有する円筒形電池１０を作製した。他は実施例１と同様である。

　＜比較例＞
　比較例として、図５に示す従来構成の円筒形電池１００を作製した。尚、フランジ部１２８ｂの厚みは０．４ｍｍとした。

　実施例１～４および比較例の円筒形電池１０、１００のガスケット１８、１１８の突出部１８ａ、１１８ａがかしめ肩部３１ａ、１３１ａよりも上方に突出するか否かの検証結果を表１に示す。

　＜評価＞
　実施例１、２の円筒形電池１０においては、フランジ部２８ｂの凹部２８ｃの深さｈによらず、ガスケット１８の突出部１８ａがかしめ肩部３１ａよりも上方に突出するものは確認されなかった。実施例３、４の円筒形電池１０においては、フランジ部２８ｂの凹部２８ｃ部の傾斜角度θが１０°、１２°に関わらず、ガスケット１８の突出部１８ａがかしめ肩部３１ａよりも上方に突出するものは確認されなかった。これに対して、比較例の円筒形電池１００においては、１００個中４個、ガスケット１１８の突出部１１８ａがかしめ肩部１３１ａよりも上方に突出するものが確認された。

　以上の結果より、本開示の円筒形電池１０は、ガスケット１８の突出部１８ａがかしめ肩部３１ａよりも上方に突出することが無く、従って、従来構造の円筒形電池１００に比べて、かしめ肩部での連結板の溶接性能が優れることが分かる。

　なお、本発明は上述した実施形態およ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。

　１０、１００　円筒形電池、１１　正極、１２　負極、１３　セパレータ、１４　電極体、１６　外装缶、１６ａ　底面部、１６ｂ　側面部、１７　封口体、１８、１１８　ガスケット、１８ａ、１１８ａ　突出部、１９　絶縁板、２０　絶縁板、２１　正極タブ、２２　負極タブ、２５　端子板、２６、１２６　ラプチャーディスク、２７　絶縁板、２８、１２８　キャップ、２８ａ　凸部、２８ｂ、１２８ｂ　フランジ部、２８ｃ　凹部、２８ｄ　孔、３０　溝入部、３１、１３１　かしめ部、３１ａ、１３１ａ　かしめ肩部、３１ｂ、１３１ｂ　先端部、４０、１４０　連結板

Claims

　電極体を収容する有底筒状の外装缶と、
　前記外装缶の開口部を曲げて形成されるかしめ部に、ガスケットを介してかしめて固定される封口体と、
　を備え、
　前記封口体は、前記かしめ部にかしめられるフランジ部を有するキャップを有し、
　前記キャップの前記フランジ部は、板厚を薄く形成された凹部を有し、
　前記ガスケットは、前記かしめ部の径方向の先端から突出する突出部が前記凹部に収まる、
　円筒形電池。
　前記凹部は、前記フランジ部の径方向内周側に向かって板厚が薄くなる傾斜を有する、
　請求項１に記載の円筒形電池。
　前記ガスケットの前記突出部の径方向の長さをｒ、前記凹部の径方向の長さをＲとしたとき、Ｒ＞ｒを満足するように形成されている、
　請求項１または２に記載の円筒形電池。