WO2023189790A1 - 円筒形電池 - Google Patents

Abstract

円筒形電池（１０）が、正極（１１）と負極（１２）がセパレータ（１３）を介して巻回された電極体（１４）と、電極体（１４）を収容する有底筒状の外装缶（１６）と、外装缶（１６）の開口部にガスケット（２８）を介してかしめ固定される封口体（１７）と、を備える。外装缶（１６）は、ガスケット（２８）を軸方向に押圧する環状の肩部（３８）を有する。肩部（３８）の内面に、周方向に間隔をおいて位置すると共に略径方向に延在する複数の溝（６０）が設けられる。

Description

円筒形電池

　本開示は、円筒形電池に関する。

　従来、円筒形電池としては、特許文献１に記載されているものがある。この円筒形電池は、外装缶と封口体との間に配置されるガスケットを備える。封口体は、ガスケットを介して外装缶の開口部にかしめ固定される。外装缶は、肩部、溝入れ部、筒状部、及び底部を有する。肩部は、封口体を外装缶にかしめ固定する際に、外装缶の上端部を封口体の周縁部に向かって内側に折り曲げて形成される。この円筒形電池では、かしめ時の外装缶の波打ちを抑制するため、外装缶の肩部に内側端に繋がる複数の切欠きが設けられている。

特開２０１２－２３４７１６号公報

　本願発明者は、外装缶の硬度が高い場合にかしめ時に外装缶の肩部に傷が生じる場合があることを確認した。そこで、本開示の目的は、外装缶の肩部に傷が生じにくく、封止性も優れる円筒形電池を提供することにある。

　上記課題を解決するため、本開示に係る円筒形電池は、正極と負極がセパレータを介して巻回された電極体と、電極体を収容する有底筒状の外装缶と、外装缶の開口部にガスケットを介してかしめ固定される封口体と、を備え、外装缶は、ガスケットを軸方向に押圧する環状の肩部を有し、肩部の内面に、周方向に間隔をおいて位置すると共に略径方向に延在する複数の溝が設けられている。

　前記溝は、僅かに径方向に対して傾斜する方向に延在してもよく、例えば、径方向に対して２°以下の角度で傾斜する方向に延在してもよい。

　本開示に係る円筒形電池によれば、外装缶の肩部に傷が生じにくく、良好な封止性も実現できる。

本開示の一実施形態に係る円筒形電池の軸方向の断面図である。 上記円筒形電池の電極体の斜視図である。 図１における外装缶の肩部周辺の拡大断面図である。 かしめ前の外装缶の開口側を示す斜視図である。 図４に示す領域Ｒの拡大斜視図である。 本開示の溝を形成する方法を示す斜視図である。

　以下、図面を参照しながら、本開示に係る円筒形電池の実施形態について詳細に説明する。なお、本開示の円筒形電池は、一次電池でもよく、二次電池でもよい。また、水系電解質を用いた電池でもよく、非水系電解質を用いた電池でもよい。以下では、一実施形態である円筒形電池１０として、非水電解質を用いた非水電解質二次電池（リチウムイオン電池）を例示するが、本開示の円筒形電池はこれに限定されない。

　以下で説明する実施形態や変形例の特徴部分を適宜に組み合わせて新たな実施形態を構築することは当初から想定されている。以下の実施形態では、図面において同一構成に同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、複数の図面には、模式図が含まれ、異なる図間において、各部材における、縦、横、高さ等の寸法比は、必ずしも一致しない。本明細書では、円筒形電池１０の軸方向（高さ方向）の封口体１７側を「上」とし、軸方向の外装缶１６の底部５５側を「下」とする。また、以下で説明される構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素であり、必須の構成要素ではない。

　図１は、本開示の一実施形態に係る円筒形電池１０の軸方向の断面図であり、図２は、円筒形電池１０の電極体１４の斜視図である。図１に示すように、円筒形電池１０は、巻回型の電極体１４、非水電解質（図示せず）、電極体１４及び非水電解質を収容する有底筒状で金属製の外装缶１６、及び外装缶１６の開口部を塞ぐ封口体１７を備える。図２に示すように、電極体１４は、長尺状の正極１１と長尺状の負極１２が長尺状の２枚のセパレータ１３を介して巻回された巻回構造を有する。

　負極１２は、リチウムの析出を防止するために、正極１１よりも一回り大きな寸法で形成される。即ち、負極１２は、正極１１より長手方向及び幅方向（短手方向）に長く形成される。また、２枚のセパレータ１３は、少なくとも正極１１よりも一回り大きな寸法で形成され、例えば正極１１を挟むように配置される。図１に示すように、負極１２は、電極体１４の巻き始め端を構成してもよい。又は、セパレータ１３が負極１２の巻き始め側端を超えて延出して電極体１４の巻き始め端を構成してもよい。

　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、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種以上の混合溶媒等を用いてもよい。非水溶媒は、これら溶媒の水素原子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もよい。なお、非水電解質は液体電解質に限定されず、ゲル状ポリマー等を用いた固体電解質であってもよい。電解質塩には、ＬｉＰＦ_６等のリチウム塩が使用される。

　正極１１は、正極芯体と、正極芯体の両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、導電剤、及び結着剤を含む。正極１１は、例えば正極芯体上に正極活物質、導電剤、及び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、圧縮して正極合剤層を正極芯体の両面に形成することにより作製できる。

　正極活物質は、リチウム含有金属複合酸化物を主成分として構成される。リチウム含有金属複合酸化物に含有される金属元素としては、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｂ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｗ等が挙げられる。好ましいリチウム含有金属複合酸化物の一例は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌの少なくとも１種を含有する複合酸化物である。

　正極合剤層に含まれる導電剤としては、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛等の炭素材料が例示できる。正極合剤層に含まれる結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等のフッ素樹脂、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂などが例示できる。これらの樹脂と、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）又はその塩等のセルロース誘導体、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）などが併用されてもよい。

　負極１２は、負極芯体と、負極芯体の両面に形成された負極合剤層とを有する。負極芯体には、銅、銅合金など、負極１２の電位範囲で安定な金属箔、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、及び結着剤を含む。負極１２は、例えば負極芯体上に負極活物質、及び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、圧縮して負極合剤層を負極芯体の両面に形成することにより作製できる。

　負極活物質には、一般的に、リチウムイオンを可逆的に吸蔵、放出する炭素材料が用いられる。好ましい炭素材料は、鱗片状黒鉛、塊状黒鉛、土状黒鉛等の天然黒鉛、塊状人造黒鉛、黒鉛化メソフェーズカーボンマイクロビーズ等の人造黒鉛などの黒鉛である。負極合剤層には、負極活物質として、ケイ素（Ｓｉ）を含有するＳｉ材料が含まれていてもよい。また、負極活物質には、Ｓｉ以外のリチウムと合金化する金属、当該金属を含有する合金、当該金属を含有する化合物等が用いられてもよい。

　負極合剤層に含まれる結着剤には、正極１１の場合と同様に、フッ素樹脂、ＰＡＮ、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂等を用いてもよいが、好ましくはスチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）又はその変性体を用いる。負極合剤層には、例えばＳＢＲ等に加えて、ＣＭＣ又はその塩、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）又はその塩、ポリビニルアルコールなどが含まれていてもよい。

　セパレータ１３には、イオン透過性及び絶縁性を有する多孔性シートが用いられる。多孔性シートの具体例としては、微多孔薄膜、織布、不織布等が挙げられる。セパレータ１３の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、セルロースなどが好ましい。セパレータ１３は、単層構造、積層構造のいずれでもよい。セパレータ１３の表面には、耐熱層などが形成されてもよい。

　図１に示すように、正極１１には、正極リード２０が接合され、負極１２の長手方向の巻き始め側には、負極リード２１が接合される。円筒形電池１０は、電極体１４の上方に絶縁板１８を有し、電極体１４の下方に絶縁板１９を有する。正極リード２０は、絶縁板１８の貫通孔を通って封口体１７側に延び、負極リード２１は、絶縁板１９の貫通孔を通って外装缶１６の底部５５側に延びる。正極リード２０は、封口体１７の底板２３の下面に溶接等で接続される。封口体１７の天板を構成する端子キャップ２７が底板２３と電気的に接続され、端子キャップ２７が正極端子となる。また、負極リード２１は、金属製の外装缶１６の底部５５の内面に溶接等で接続され、外装缶１６が負極端子となる。

　図１及び図２に示す例では、正極リード２０は、正極芯体における巻回方向の中央部等の中間部に電気的に接続され、負極リード２１は、負極芯体における巻回方向の巻き始め側端部に電気的に接続される。さらに、電極体１４の最外周面には負極芯体が露出して外装缶１６の内面に接触している。しかし、負極リードは、負極芯体における巻回方向の巻き終わり側端部に電気的に接続されてもよい。又は、電極体が２つの負極リードを有して、一方の負極リードが、負極芯体における巻回方向の巻き始め側端部に電気的に接続され、他方の負極リードが、負極芯体における巻回方向の巻き終わり側端部に電気的に接続されてもよい。図１に示すように負極芯体が外装缶の内面に接触している場合、負極リード２１を省略してもよい。

　円筒形電池１０は、外装缶１６と封口体１７との間に配置される樹脂製のガスケット２８を更に備える。封口体１７は、ガスケット２８を介して外装缶１６の開口部にかしめ固定される。これにより、円筒形電池１０の内部空間が密閉される。ガスケット２８は、外装缶１６と封口体１７に挟持され、封口体１７を外装缶１６に対して絶縁する。ガスケット２８は、電池内部の気密性を保つためのシール材の役割と、外装缶１６と封口体１７を絶縁する絶縁材としての役割を有する。

　外装缶１６は、電極体１４と非水電解質を収容し、肩部３８、溝入れ部３４、筒状部３０、及び底部５５を有する。溝入れ部３４は、例えば、外装缶１６の側面の一部を、径方向内側にスピニング加工して径方向内方側に環状に窪ませることで形成できる。肩部３８は、封口体１７を外装缶１６にかしめ固定する際に、外装缶１６の上端部を封口体１７の周縁部４８に向かって内側に折り曲げて形成される。

　封口体１７は、電極体１４側から順に、底板２３、下弁体２４、絶縁部材２５、上弁体２６、及び端子キャップ２７が積層された構造を有する。封口体１７を構成する各部材は、例えば円板形状又はリング形状を有し、絶縁部材２５を除く各部材は互いに電気的に接続されている。底板２３は、少なくとも１つの貫通孔２３ａを有する。また、下弁体２４と上弁体２６は、各々の中央部で接続され、各々の周縁部の間には絶縁部材２５が介在している。

　円筒形電池１０が異常発熱して、円筒形電池１０の内圧が上昇すると、下弁体２４が上弁体２６を端子キャップ２７側に押し上げるように変形して破断し、下弁体２４と上弁体２６の間の電流経路が遮断される。さらに内圧が上昇すると、上弁体２６が破断して、端子キャップ２７の貫通孔２７ａからガスが排出される。このガスの排出により、円筒形電池１０の内圧が過度に上昇して円筒形電池１０が破裂することを防止でき、円筒形電池１０の安全性を高くできる。

　図３は、図１における外装缶１６の肩部３８周辺の拡大断面図である。図３に示すように、外装缶１６の開口部（外装缶１６の開口側端部）の内面には複数の溝６０が設けられる。複数の溝６０は、周方向に間隔をおいて設けられ、図３に示す例では、周方向に略等間隔に設けられる。溝６０は、肩部３８の内面に設けられると共に肩部３８の径方向の内側端３８ａまで延びている。肩部３８の径方向の内側端３８ａは、外装缶１６の開口端に対応する。溝６０の一部は、外装缶１６の内周面６２に位置してもよい。溝６０は、内側端３８ａ側に行くにしたがって溝幅が大きくなっている。溝６０は、略一定の深さを有する。溝６０の深さは、例えば、外装缶１６の厚さの１０％以上３０％以下の深さになっている。また、溝６０の溝幅の平均は、かしめ前の外装缶の周長の０．０３％以上０．０６％以下の長さになっている。

　図４は、かしめ前の外装缶１６の開口側を示す斜視図であり、図５は、図４に示す領域Ｒの拡大斜視図である。図４に示すように、外装缶１６は、略円筒形の形状を有する。外装缶１６は、軸方向（高さ方向）に延在する複数の溝６０を内面に有する。複数の溝６０は、周方向に略等間隔に設けられる。溝６０は、開口端まで軸方向に延在する。図５に示すように、溝６０の溝幅は、開口端側に行くにしたがって大きくなっている。

　複数の溝６０は、例えば、図６に示す金型７０を用いることで形成できる。詳しくは、金型７０は、複数の溝６０に対応する複数の突出部７１を外周面に有する。この金型７０をかしめ前の円筒形状の外装缶１６の開口部内側に圧入して軸方向に出し入れすることで、複数の溝６０をかしめ前の外装缶１６の開口部内側に形成できる。なお、複数の溝６０は、如何なる方法で形成されてもよく、例えば、エッチングや切削等で形成されてもよい。複数の溝６０は、かしめ前の外装缶１６に軸方向に沿って肩部３８に相当する位置を含むように形成される。

　次に、かしめ前の外装缶１６の開口部内側に複数の溝を設けることの作用効果について説明する。かしめ時に外装缶１６の開口側を封口体１７の周縁部４８に向かって内側に折り曲げて形成された肩部３８周長は、肩部３８の先端に行くにしたがって短くなる。したがって、外装缶１６のかしめ時に、肩部３８が周方向の圧縮荷重を受け、この圧縮荷重は、肩部３８の先端側に行く程大きくなる。

　しかしながら、本開示の技術によれば、かしめ前の外装缶１６の開口側に軸方向に延在する溝６０が設けられている。そのため、かしめ時に、圧縮荷重を受ける肩部３８の肉の一部を溝６０に逃がすことができる。したがって、かしめ時に肩部３８が受ける周方向の圧縮荷重を緩和でき、肩部３８の傷の発生を抑制できる。

　また、溝６０が、肩部３８の内側端３８ａまで延びているので、かしめによって周長が最も短くなる径方向箇所で肉の一部を確実に溝６０に逃がすことができる。したって、肩部３８が受ける周方向の圧縮荷重を効果的に緩和できるため、肩部３８の傷の発生を効果的に抑制できる。さらに、溝６０の幅が、肩部３８の内側端３８ａに行くにしたがって大きくなっているので、肩部３８が受ける周方向の圧縮荷重をより効果的に緩和でき、肩部３８の傷の発生を効果的に抑制できる。

　外装缶の肩部にスリット状の切り欠きを設ける場合に比べて本開示の技術によれば、外装缶１６の肩部３８の機械的強度を確保できるため、円筒形電池１０の良好な封止性も実現できる。

　溝６０が、外装缶１６の厚さの１０％以上の深さを有すると、かしめ時に肉の一部を溝６０に確実に逃がすことができるため、傷の発生を効果的に抑制できる。溝６０が、外装缶１６の厚さの３０％以下の深さを有すると、肩部３８の剛性を十分な大きさにできるため、優れた封止性を実現できる。溝６０の溝幅の平均が、外装缶１６の周長の０．０３％以上であると、かしめ時に肉の一部を溝６０に確実に逃がすことができるため、傷の発生を効果的に抑制できる。溝６０の溝幅の平均が、外装缶１６の開口端３８ａの周長の０．０６％以下であると、肩部３８の剛性を十分な大きさにできるため、優れた封止性を実現できる。

　なお、本開示は、上記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およびその均等な範囲において種々の改良や変更が可能である。例えば、上記実施形態では、溝６０の一部が外装缶１６の内周面に位置する場合について説明したが、溝は肩部３８の内面にのみ形成してもよい。また、溝６０が肩部３８の内側端３８ａまで延びる場合について説明したが、溝は、肩部の内側端まで延びていなくてもよい。また、溝６０の溝幅が先端に行くにしたがって大きくなる場合について説明したが、溝の幅は、略一定でもよい。また、溝６０の深さが、略一定である場合について説明したが、溝６０の深さは、一定でなくてもよく、例えば、肩部の内側端に行くにしたがって深くなってもよい。また、溝は、径方向に対して僅かに傾いた方向に延在してもよい。

　１０　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、　１７　封口体、　１８,１９　絶縁板、　２０　正極リード、　２１　負極リード、　２３　底板、　２３ａ　貫通孔、　２４　下弁体、　２５　絶縁部材、　２６　上弁体、　２７　端子キャップ、　２７ａ　貫通孔、　２８　ガスケット、　３０　筒状部、　３４　溝入れ部、　３８　肩部、　３８ａ　内側端、　４８　周縁部、　５５　底部、　６０　溝、　　６２　内周面、　７０　金型、　７１　金型の突出部。

Claims (3)

1. 　正極と負極がセパレータを介して巻回された電極体と、
   　前記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にガスケットを介してかしめ固定される封口体と、を備え、
   　前記外装缶は、前記ガスケットを軸方向に押圧する環状の肩部を有し、
   　前記肩部の内面に、周方向に間隔をおいて位置すると共に略径方向に延在する複数の溝が設けられている、円筒形電池。
2. 　前記溝が、前記肩部の前記径方向の内側端まで延びている、請求項１に記載の円筒形電池。
3. 　前記溝の幅が、前記径方向の内側に行くにしたがって大きくなっている、請求項１又は２に記載の円筒形電池。

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