WO2024161967A1 - 円筒形電池 - Google Patents

Abstract

円筒形電池（１０）は、軸方向の一方側端部において径方向内方側に延びる肩部（２９）、及び周方向の全周に亘って径方向内方側に窪む溝入部（２２）を含む筒状部（３９）と、筒状部（３９）における軸方向他方側の開口を塞ぐ底部（３１）とを有し、電極体（１４）を収容する有底筒状の外装缶（１６）と、外装缶（１６）の開口部を塞ぐ封口体（１７）と、溝入部（２２）と電極体（１４）の間に配置された上部絶縁板（１８）と、少なくとも一部が溝入部（２２）と絶縁板（１８）との間に介在している金属板（４０）と、を備える。

Description

円筒形電池

　本開示は、円筒形電池に関する。

　円筒形電池は、電極体、電極体を収容する有底筒状の外装缶、外装缶の開口部を塞ぐ封口体、及び外装缶と封口体とで挟持されるガスケットを備える（例えば、特許文献１参照）。外装缶の筒状部は、溝入部と、環状の肩部を有する。溝入部は、筒状部の一部を、径方向内方側に窪ませることで形成される。肩部は、筒状部の開口側の端部を内側に折り曲げて封口体の周縁部にかしめる際に形成され、径方向内側に延びる。封口体は、かしめによって肩部と溝入部にガスケットを介して挟持されて外装缶に固定される。

特開平０９－２７４９２３号公報

　円筒形電池は、異常発熱の際に高温のガスが電極体の軸方向の両側端面から放出されることがある。この際、電極体の缶底側の端面から缶底側に放出されたガスは、電極体の中空部を経由して封口体側に流動する他、電極体の外周面と外装缶の内周面との間を経由して封口体側に流動する。

　係る背景において、電極体の外周面と外装缶の内周面との間を経由して封口体側に流動したガスやそのガスとともに流動する電池内容物の微小粒子が、溝入部における軸方向の缶底側の面に直接衝突することになる。よって、円筒形電池が異常発熱した場合、溝入部の軸方向の缶底側部分周辺に破断が生じる虞がある。そこで、本開示の目的は、異常発熱した場合でも溝入部における軸方向の缶底側部分周辺に破断が生じにくい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、軸方向の一方側の端部において径方向の内方側に延びる肩部、及び周方向の全周に亘って径方向の内方側に窪む溝入部を含む筒状部と、筒状部における軸方向の他方側の開口を塞ぐ底部とを有し、電極体を収容する有底筒状の外装缶と、外装缶の開口部を塞ぐ封口体と、溝入部と電極体の間に配置された絶縁板と、少なくとも一部が溝入部と絶縁板との間に介在している金属板と、を備える。

　本開示に係る円筒形電池によれば、異常発熱した場合でも溝入部における軸方向の缶底側部分周辺に破断が生じにくい。

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。 図１における金属板周辺の拡大断面図である。 金属板の斜視図である。

　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ず、電解質は、水系電解質でもよい。

　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３１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る。図１に示すように、円筒形電池１０は、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の開口部を塞ぐ封口体１７と、環状の金属板４０を備える。外装缶１６には、電極体１４と共に非水電解質が収容されている。外装缶１６は、上側端部に径方向の内方側に折り曲げられて該内方側に延在する肩部２９を有する。外装缶１６は、側壁に形成された溝入部２２を有し、封口体１７は溝入部２２に支持されて外装缶１６の開口部を塞いでいる。

　円筒形電池１０は、外装缶１６と封口体１７の間に介在するガスケット２８を更に備える。ガスケット２８は、封口体１７の外周部に取り付けられるリング状の樹脂製部材であって、封口体１７を外装缶１６に対して絶縁する。ガスケット２８は、外装缶１６と封口体１７の隙間を塞いで、電池内部を密閉している。ガスケット２８は、例えば、ポリオレフィンで構成される。

　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、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が用いられる。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。非水溶媒の一例としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、およびこれらの混合溶媒等が挙げられる。電解質塩には、例えば、ＬｉＰＦ_６等のリチウム塩が使用される。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。

　電極体１４は、正極１１、負極１２、およびセパレータ１３を有し、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巻回構造を有する。正極１１、負極１２、およびセパレータ１３は、いずれも帯状の長尺体であって、渦巻状に巻回されることで電極体１４の径方向に交互に積層されている。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よりも長手方向および幅方向に長く形成される。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２枚配置される。

　電極体１４には、正極リード２０および負極リード２１が接続されている。正極リード２０は、正極１１と封口体１７とを電気的に接続し、負極リード２１は、負極１２と外装缶１６の底部３１とを電気的に接続する。図１に示す例では、正極リード２０が上部絶縁板１８の開口部を通って封口体１７側に延び、負極リード２１が下部絶縁板１９の外側を通って外装缶１６の底部３１側に延びている。

　正極１１は、正極芯体と、当該正極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（ＰＶｄＦ）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、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ等を含有するリチウム遷移金属複合酸化物が用いられる。正極リード２０は、正極１１に接続されるが、超音波溶着等により正極芯体に直接接合されていることが好ましい。

　負極１２は、負極芯体と、当該負極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、銅合金など、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）、ＰＶｄＦ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。負極リード２１は、超音波溶着等により負極芯体に直接接合されていることが好ましい。なお、負極芯体を外装缶１６の内面に接触させて負極１２と外装缶１６を電気的に接続することも可能である。

　外装缶１６は、一般的に、鉄を主成分とする金属で構成され、例えば、鉄にニッケルメッキを施した材料で構成されるが、アルミニウム等を主成分とする金属で構成されていてもよい。外装缶１６は、筒状部３９と底部３１を有し、筒状部３９は、環状の溝入部２２と、環状の肩部２９を含む。溝入部２２は、筒状部３９の一部を、スピニング加工して径方向内方側に窪ませることで形成される。肩部２９は、筒状部３９の上端部（軸方向の一方側の端部）を径方向内側に折り曲げて封口体１７の周縁部３３にかしめる際に形成され、筒状部３９の上端部において径方向内側に延びる。

　金属板４０は、その少なくとも一部が溝入部２２と上部絶縁板１８との間に介在するように外装缶１６内に配置される。金属板４０は、金属材料、例えば、ニッケル、又はニッケルメッキ鋼板等で構成される。金属板４０の厚みは、例えば、０.０５ｍｍ以上０.１ｍｍ以下である。

　封口体１７は、かしめによって肩部２９と溝入部２２にガスケット２８を介して挟持されて外装缶１６に固定される。溝入部２２は、外装缶１６の上端から所定長さ離れた位置に形成されている。所定長さは、例えば、外装缶１６の軸方向長さの１～２０％に相当する長さである。ガスケット２８は、肩部２９により強く圧縮され、一部が肩部２９と封口体１７の間から径方向内方側に突出する。

　封口体１７は、電極体１４側から順に、端子板２３、下弁体２４、絶縁板２５、上弁体２６、および封口板２７がこの順で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、円板形状ないしリング形状を有し、絶縁板２５を除く各部材は互いに電気的に接続されている。封口板２７は、径方向中央部が外側に突出した凸形状を有する。封口板２７の凸部２７ａは、環状に形成された斜面部と、斜面部に囲まれた平坦な天面部とを含む。天面部には、１以上の通気孔２７ｂが形成されている。

　下弁体２４、絶縁板２５、および上弁体２６は、電流遮断機構を構成する。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板２５が介在している。円筒形電池１０に異常が発生して内圧が上昇すると、下弁体２４が上弁体２６を封口板２７側に押し上げるように変形して破断することにより、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、封口板２７の通気孔２７ｂからガスが排出される。

　本実施形態では、正極リード２０が端子板２３の下面に溶接又は超音波溶着等で接続され、端子板２３と電気的に接続された封口体１７の天板である封口板２７が正極端子となる。また、負極リード２１は外装缶１６の底部３１内面に溶接又は超音波溶着等で接続され、外装缶１６が負極端子となる。

　以下、図２及び図３を更に参照しながら、金属板４０の構造、及び外装缶１６内における金属板４０の配置位置について詳細に説明する。図２は、図１における金属板４０周辺の拡大断面図であり、図３は、金属板４０の斜視図である。図２及び図３に示すように、金属板４０は、円環状の平板部４１と、平板部４１の外周縁から底部３１に向かって外装缶１６の内周面に沿うように延在する筒状部４２とを有する。

　平板部４１の径方向内方側の内端４１ａは、溝入部２２が画定する環状溝３６の最内周に位置する内端２２ｂよりも径方向外方に位置する。筒状部４２の一部は、電極体１４と外装缶１６との間に介在している。軸方向において、筒状部４２の下端（筒状部４２の底部３１側の端）４２ａは、負極１２の上端（負極１２の封口体１７側の端）１２ａよりも下側（底部３１側）に位置している。

　円筒形電池１０によれば、金属板４０の少なくとも一部が溝入部２２と上部絶縁板１８との間に介在するので、溝入部２２において環状溝３６の下側に位置する溝下部２２ａの少なくとも一部を金属板４０で覆うことができる。

　したがって、円筒形電池１０の異常発熱時に電極体１４の下側端面から放出されて外装缶１６と電極体１４との間を経由して上側に流動する高温ガスが、溝下部２２ａの少なくとも一部に直接衝突することを抑制できる。その結果、当該被覆部分が損傷するのを抑制でき、ひいては、溝下部２２ａが破断するのを抑制できる。

　従来の円筒形電池では、溝下部の外周側に位置する角部は、高温ガスの流れが軸方向上側から径方向内側に変わる箇所であって、高温ガスが軸方向下側から直接衝突する箇所であるため、破断が生じ易くなる虞がある。これに対し、円筒形電池１０では、金属板４０が、外装缶１６の内周面に沿うように延在する筒状部４２を備えるので、金属板４０で溝下部２２ａの外周側に位置する角部を覆うことができる。したがって、円筒形電池１０の異常発熱時に当該角部が破断することを効果的に抑制できる。また、筒状部４２が覆っている外装缶１６の側壁部の破断も抑制できる。

　また、筒状部４２の下端４２ａが、負極１２の上端１２ａよりも下側に位置しているので、溝下部２２ａの外周側に位置する角部の破断を効果的に抑制できる。なお、外装缶１６内における電極体１４の専有体積を大きくして電池容量を大きくする観点から、筒状部４２の軸方向長さは、５ｍｍ以下が好ましい。また、電池容量を大きくする観点から、筒状部４２の下端４２ａが、正極１１の上端（軸方向の封口体１７側の端）１１ａよりも上側（軸方向の封口体１７側）に位置してもよい。

　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、金属板４０が、筒状部４２を有する場合について説明した。しかし、金属板は、筒状部を有さない円環状部材でもよい。金属板が円環状部材である場合、金属板の径方向の内端は、溝入部が画定する環状溝の最内周に位置する内端よりも径方向外方に位置すると好ましく、金属板の径方向の外端は、電極体の外周端よりも径方向外方に位置すると好ましい。

　１０　円筒形電池、　１１　正極、　１１ａ　正極の上端、　１２　負極、　１２ａ　負極の上端、　１３　セパレータ、　１４　電極体、　１６　外装缶、　１７　封口体、　１８　上部絶縁板、　１９　下部絶縁板、　２０　正極リード、　２１　負極リード、　２２　溝入部、　２２ａ　溝下部、　２２ｂ　内端、　２３　端子板、　２４　下弁体、　２５　絶縁板、　２６　上弁体、　２７　封口板、　２７ａ　凸部、　２７ｂ　通気孔、　２８　ガスケット、　２９　肩部、　３１　底部、　３３　周縁部、　３６　環状溝、　３９　筒状部、　４０　金属板、　４１　平板部、　４１ａ　金属板の内端、　４２　筒状部、　４２ａ　筒状部の下端。

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、
   　軸方向の一方側の端部において径方向の内方側に延びる肩部、及び周方向の全周に亘って前記径方向の内方側に窪む溝入部を含む筒状部と、前記筒状部における前記軸方向の他方側の開口を塞ぐ底部とを有し、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を塞ぐ封口体と、
   　前記溝入部と前記電極体の間に配置された絶縁板と、
   　少なくとも一部が前記溝入部と前記絶縁板との間に介在している金属板と、
   を備える円筒形電池。
2. 　前記金属板が、外周縁から前記底部に向かって前記外装缶の内周面に沿うように延在する筒状部を有する、請求項１に記載の円筒形電池。
3. 　前記軸方向において、前記金属板の前記筒状部の前記底部側の端が、前記負極の前記封口体側の端よりも前記底部側に位置している、請求項２に記載の円筒形電池。

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