JP7848003B2 - 電池 - Google Patents

Description

本発明は電池に関する。

従来より、金属缶に発電要素が収容された電池が知られている。

特開２０１９－１９２４０３号公報

このような電池において、金属缶が衝撃を受けた場合に、衝撃を吸収して不具合を減らすことが求められている。しかしながら、従来の電池では金属缶の衝撃吸収性能が十分ではなかった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、金属缶の衝撃吸収性に優れた電池を提供することを目的とする。

一実施形態に係る電池は、発電要素と、前記発電要素を収容する金属缶と、を備える。
前記金属缶は、前記金属缶の内面に沿って形成された溝部を少なくとも１つ有し、前記溝部の前記内面に沿う方向に対して垂直な断面において、前記溝部は、少なくとも１つの屈曲部を有する。

前記金属缶の前記溝部における肉厚は、前記金属缶の前記溝部以外の最も薄い部分の肉厚の３０～８０％とされていることができる。

前記金属缶は、第１金属部材と、前記第１金属部材に溶接された第２金属部材とを有し、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に前記溝が設けられていることができる。

前記第１金属部材は円筒であることができる。

本発明によれば、金属缶の衝撃吸収性に優れた電池が提供される。

図１は、１実施形態に係る電池の断面図である。 図２は、図１の金属缶５０の上部の斜視断面図である。 図３の（ａ）及び（ｂ）に、他の実施形態に係る電池の金属缶の一部断面図である。 図４の（ａ）及び（ｂ）に、他の実施形態に係る電池の金属缶の一部断面図である。 図５は、他の実施形態に係る電池の金属缶の一部断面図である。 図６の（ａ）及び（ｂ）に、比較形態に係る電池の金属缶の一部断面図である。

以下、発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。尚、以下の説明において、同一の又は類似する部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。

図１は、一実施形態に係るスパイラル型の電池１００の軸に沿う断面図である。本形態の電池１００は、発電要素１０、及び、金属缶５０を備える。

発電要素１０は、正極３、負極４、及び、正極３及び負極４を隔てるセパレータ５を有し、これらには図示しない電解液が含浸されている。

正極３は、正極集電体及び正極合剤層の積層体であることができる。正極集電体の例はアルミニウム箔である。正極合剤層は、正極活物質、導電助剤、及び、バインダーを含むことができる。正極活物質の例は、リチウム含有複合酸化物である。

負極４は、負極集電体及び負極合剤層の積層体であることができる。負極合剤層は、負極活物質、導電助剤、及び、バインダーを含むことができる。負極活物質の例は、炭素材料、Ｓｉ等である。なお、負極活物質がリチウムなどの金属である場合には負極は金属箔であってもよい。

セパレータ５は、電気絶縁性の微多孔フィルム又は不織布などであることができ、積層構造を有していてもよい。

正極３及び負極４は、正極３と負極４とがセパレータ５を介して対向配置されるように層状に多数重ねられ、さらに、スパイラル状に巻回されている。

電解液の例は、水系電解液及び非水電解液であり、電解質は電池に合わせて適宜選択することができる。リチウム電池の場合には、リチウム塩を含有する非水電解液であることができる。

金属缶の構成
金属缶５０は、第１蓋４２、筒体４４、及び、第２蓋４６を有する。

図２に示すように、第１蓋４２は、段付き円板形状を有し、大径部（上側）４２Ａの外径ＤＡよりも、小径部４２Ｂ（下側）の外径ＤＢが小さくされている。大径部４２Ａの外径ＤＡと小径部４２Ｂの外径ＤＢとの差は１４０～１４００μｍとすることができる。大径部４２Ａの軸方向長さ（厚み）ＬＡは２００～８００μｍとすることができ、小径部４２Ｂの軸方向厚みＬＢは、２００～６００μｍとすることができる。

筒体４４は円筒であり、筒体４４の外径ＤＤは、第１蓋４２の大径部４２Ａの外径ＤＡと同等である。筒体４４の内径ＤＣは、第１蓋４２の小径部４２Ｂの外径ＤＢよりも大きくされている。ＤＢとＤＣとの差は４０～４００μｍとすることができる。

第１蓋４２の小径部４２Ｂが筒体４４の内部に入り込んだ状態で、第１蓋４２の大径部４２Ａの段側表面４２ＡＳと、筒体４４の上端面４４Ｅとが溶接部４３を介して溶接されている。ここで、筒体４４の上端面４４Ｅの内の径方向外側部分のみと、第１蓋４２の大径部４２Ａの段側表面４２ＡＳの径方向外側部分のみとが、溶接部４３を介して接合されている。

これにより、筒体４４の上端面４４Ｅ及び内周面４４Ｒと、第１蓋４２の大径部４２Ａの段側表面４２ＡＳ及び小径部４２Ｂの外周面４２ＢＳとの間に溝部Ｇが形成される。

この溝部Ｇは、筒体４４の上端面４４Ｅ及び内周面４４Ｒにより形成される角部と、第１蓋４２の大径部４２Ａの段側表面４２ＡＳ及び小径部４２Ｂの外周面４２ＢＳにより形成される角部の間に形成されているので、溝部Ｇは１つの屈曲部Ｇ１を有する。

この溝部Ｇは、金属缶５０の内部空間Ｖと連通し、当該内部空間Ｖから金属缶５０の外側へ向かって伸び、かつ、金属缶５０の外とは連通しない。

本明細書において、屈曲部とは、溝部Ｇの伸びる方向に垂直な断面において、溝部Ｇの軸線が８０°以上の角度をなして折れる部分を言う。本実施形態では約９０°の角度をなしている。

断面における溝部Ｇの幅Ｗは、２０～２００μｍとすることができる。溝部Ｇの軸線の全長さは０．２～０．９ｍｍとすることができる。

図２に示すように、溝部Ｇは、筒体４４の内周面４４Ｒに沿って環状に形成されている。なお、図１及び図２は、溝部Ｇにおいて金属缶５０の内面に沿う方向に対して垂直な断面を示している。

金属缶５０の溝部Ｇにおける肉厚（本実施形態では溶接部４３の肉厚）ＴＨＧは、金属缶５０の溝部Ｇ以外の最も肉厚が薄い部分の肉厚の３０～８０％とされていることが好適である。

具体的に、溝部Ｇにおける金属缶５０の肉厚（溶接部４３の肉厚）ＴＨＧは５０～４００μｍとすることができ、金属缶５０の溝部Ｇ以外の最も薄い部分の肉厚（例えば、筒体４４の肉厚ＴＨ）は５０～５００μｍとすることができる。

このような溝部Ｇは、第１蓋４２の大径部４２Ａの段側表面４２ＡＳと、筒体４４の上端面４４Ｅとを突き合わせて溶接する際、径方向外側部のみを選択的に溶接することにより得ることができる。具体的には、径方向外側からレーザーを照射する際の出力エネルギー、レーザーの走査速度等を調節することで、径方向外側部のみを選択的に溶接して、溶接部４３及び溝部Ｇを形成できる。

図１に示すように、第２蓋４６も第１蓋４２と同様に、外周面が段付き構造を有しており、大径部４６Ａの段側表面４６ＡＳの径方向外側部と、筒体４４の下端面４４Ｆの径方向外側部とが、溶接部４５を介して接合されている。従って、第２蓋４６と、筒体４４との間にも、同様に屈曲部を有する溝部Ｇが形成されている。溝部Ｇの形態は、第１蓋４２及び筒体４４との間に設けられたものと同様である。

なお、第２蓋４６は、その中央に貫通孔４６ｈを有しており、電気絶縁ガスケット４９を介して、電極部材４７及びカシメ電極部材４８が挿入されている。

第１蓋４２，筒体４４，第２蓋４６の材料は金属材料であればよく、例えば、アルミニウム、ステンレス、鉄である。

発電要素１０の負極４が筒体４４又は第１蓋４２と電気的に接続されており、発電要素１０の正極３が電極部材４７とが図示しないリード線により接続されている。

本実施形態に係る電池によれば、金属缶５０が、金属缶５０の内面に沿って形成された溝部Ｇを少なくとも１つ有し、溝部Ｇの内面に沿う方向に対して垂直な断面において、溝部Ｇは、少なくとも１つの屈曲部Ｇ１を有する。したがって、電池１００を落下させた際など、電池１００に衝撃が加わった際の衝撃が好適に吸収されるので、金属缶５０の破損による液漏れなどを抑制することができる。

本発明は様々な変形態様を取ることができる。

図３の（ａ）（ｂ）、図４の（ａ）（ｂ）、及び、図５は、本発明の溝部Ｇの構成の変形例の一例を示すものである。図１及び図２の実施形態と異なる点のみを説明する。

図３の（ａ）が図１及び図２と異なる点は、筒体４４の上端が段付き形状を有し、突出部４４Ａ、及び、非突出部４４Ｂを有する点である。第１蓋４２の大径部４２Ａの外径ＤＡは、筒体４４の突出部４４Ａの内径ＤＥより小さくされ、突出部４４Ａの高さＡＨは、第１蓋４２の大径部４２Ａの厚み（軸方向長さ）ＬＡよりも大きくされている。突出部４４Ａの内周面の軸方向外側部と、第１蓋４２の大径部４２Ａの外周面の軸方向外側部とが、溶接部４３を介して接合されている。したがって、本形態では、上記の図１及び図２の実施形態に比べて、筒体４４の突出部４４Ａと非突出部４４Ｂとの間に形成される角と、第１蓋４２の大径部４２Ａの角とにより形成される屈曲部Ｇ２がさらに追加され、屈曲部を２つ有する溝部Ｇが形成される。

図３の（ｂ）が図１及び図２の態様と異なる点は、筒体４４の上端が段付き形状を有し、突出部４４Ａ、及び、非突出部４４Ｂを有する点である。第１蓋４２の小径部４２Ｂの外径ＤＢは、筒体４４の突出部４４Ａの内径ＤＥより小さくされ、かつ、筒体４４の非突出部４４Ｂの内径ＤＣよりも大きくされている。したがって、本形態では、溝部Ｇは、筒体４４の突出部４４Ａと非突出部４４Ｂとの角と、小径部４２Ｂの角とにより形成される屈曲部Ｇ１と、筒体４４の突出部４４Ａの角と、第１蓋４２の大径部４２Ａと小径部４２Ｂとの間の角とにより形成される屈曲部Ｇ２とを有する。

図４の（ａ）が、図１及び図２の態様と異なる点は、第１蓋４２が内面の外周縁に沿って設けられて下向きに突出する筒部４２Ｃを有し、さらに、筒体４４が上端面の内周面側に上向きに突出する筒部４４Ｃを有している点である。第１蓋４２の筒部４２Ｃの内径ＤＦは、筒体４４の筒部４４Ｃの外径ＤＧより大きくされている。第１蓋４２の筒部４２Ｃの下端と、筒体４４の筒部４４Ｃではない部分の上端面４４Ｅの軸方向外側部とが、溶接部４３を介して接合されている。筒体４４の筒部４４Ｃの先端は、第１蓋４２から離れている。したがって、本形態では、第１蓋４２と筒体４４との間に、屈曲部Ｇ１を有する溝部Ｇが形成される。なお、図４の（ａ）及び以下の図４の（ｂ）場合には、筒部４２Ｃの肉厚と溶接部４３の肉厚とが同一である。

図４の（ｂ）の形態が、図４の（ａ）と異なる点は、第１蓋４２の下面が凹部４２Ｖを有している点である。第１蓋４２の筒部４２Ｃは凹部４２Ｖの外側の縁を形成しており、第１蓋４２の筒部４２Ｃの内径ＤＦは、筒体４４の筒部４４Ｃの外径ＤＧより大きくされている。凹部４２Ｖの内側周面の外径ＤＨは、筒体４４の内径ＤＣよりも小さくされている。筒体４４の筒部４４Ｃは凹部４２Ｖ内に入り込んでおり、筒部４４Ｃの上端は第１蓋４２とは離間している。したがって、本形態では、第１蓋４２と筒体４４との間に、屈曲部Ｇ１及びＧ２を有する溝部Ｇが形成される。

図５の形態が、図４の（ａ）と異なる点は、溝部Ｇの位置が、金属缶５０の軸方向中央側に移動している点である。すなわち、第１蓋４２も筒体４４と同様の厚みの筒体４２Ｚを有しており、筒体４２Ｚの先に筒部４２Ｃが形成されている。本形態でも、第１蓋４２と筒体４４との間に、屈曲部Ｇ１を２つ有する溝部Ｇが形成される。

（他の変形態様）
溝部Ｇは、少なくとも１つの屈曲部を有する限り形態や位置に特に限定はない。金属缶５０が第１蓋４２のような第１金属部材と、第１金属部材に溶接された、筒体４４のような第２金属部材とを有する場合には、第１金属部材と第２金属部材との間に溝部Ｇが設けられることが好適である。

上記実施形態では、溝部Ｇは、筒体４４の内周面に沿って全周にわたって環状に形成されているが、全周でなくてもよい。たとえば、半周にわたって形成されていてもよいし、１／４周にわたって形成されていてもよい。また、溝部のある部分と、溝部のない部分とが交互に点線状に配置されていることも可能である。

上記実施形態では、金属缶５０の肉厚が溝部Ｇ以外で最も薄くなる部分は、筒体４４の肉厚であるが、これに限定されるものではなく、第１蓋、又は、第２蓋の肉厚であってもよい。

上記実施形態では、第１蓋４２及び第２蓋４６を備え、第１蓋４２と筒体４４との間、及び、第２蓋４６と筒体４４との間のそれぞれに溝部Ｇを有するが、いずれか一方のみにおいて溝部Ｇを有していてもよい。

また、第１蓋４２と筒体４４とが絞り成形等により一体に形成されたものであってもよい。その場合、第２蓋と筒体４４との間に溝部Ｇを備えることができる。

筒体４４の軸に垂直な断面の形状は、円に限らず、四角形等でもよい。

電池の例は、リチウム金属やリチウム合金を負極活物質とし、二酸化マンガンや酸化銅等を正極活物質とするリチウム一次電池、リチウム金属やリチウム合金を負極活物質とし、リチウム・コバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）等を正極活物質とするリチウム二次電池等である。

発電要素の構成も特に限定されず、スパイラルでなくてもよい。

実施例１
図１及び図２のような電池を作成した。具体的なサイズは、ＤＡ＝２６ｍｍ、ＤＢ＝２５．２ｍｍ、ＤＣ＝２５．３６ｍｍ、ＤＤ＝２６ｍｍ、ＬＡ＝５００μｍ、ＬＢ＝４５０ｍｍ、溝部Ｇの幅Ｗ＝８０μｍ、溝部の肉厚すなわち溶接部の肉厚ＴＨＧ＝８０μｍとした。溝部以外で最薄部となる筒体４４の肉厚ＴＨは３２０μｍとした。溝部Ｇ（溶接部４３及び４５）の肉厚ＴＨＧが８０μｍであるから、最薄部肉厚ＴＨに対する、溝部Ｇの肉厚の割合は２５％であった。電池の全長は６６ｍｍとした。

金属缶の材質はアルミニウムとした。正極活物質にはリン酸鉄リチウムを、負極活物質には黒鉛と酸化ケイ素との混合物を、電解液としては４－フルオロ－１，３－ジオキソラン－２－オン（ＦＥＣ）とエチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）との混合有機溶媒に電解塩として六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を溶解させたものを用いた。

製造した１００個の電池を、１ｍの高さからＳＵＳ盤上に落下させる衝撃試験を行った。試験後の電池に液漏れが確認された個数を確認した。

（実施例２～７）
溶接条件を異ならせて溝部Ｇ（溶接部４３及び４５）の肉厚を表１に示すようにする以外は実施例１と同様に行った。

（比較例１）
図６の（ａ）に示すように、段の付いていない第１蓋４２を用い、かつ、第１蓋４２と筒体４４との突き合わせ部の全面を溶接して溶接部４３を形成し、溝部Ｇを有さないようにする以外は、実施例１と同様にした。

（比較例２）
図６の（ｂ）に示すように、段の付いていない第１蓋４２を用い、かつ、第１蓋４２と筒体４４との突き合わせ部の径方向外側のみを溶接して溶接部４３を形成し、屈曲部を有さない溝部Ｇを設けた以外は、実施例１と同様とした。

屈曲部を有する溝部Ｇを備えた実施例では、比較例に対して衝撃試験液漏れ率が低下した。中でも、肉厚割合が３０～８０％であると、特に、液漏れ率が小さかった。

１０…発電要素、５０…金属缶、１００…電池、Ｇ…溝部、Ｇ…溝部、Ｇ１，Ｇ２…屈曲部。

Claims (2)

1. 発電要素と、前記発電要素を収容する金属缶と、を備える電池であって、
   前記金属缶は、前記金属缶の内面に沿って形成された溝部を少なくとも１つ有し、
   前記金属缶は、第１金属部材と、前記第１金属部材に溶接された第２金属部材とを有し、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に前記溝部が設けられ、
   前記第１金属部材は筒体であり、前記第２金属部材は蓋であり、
   前記溝部の前記内面に沿う方向に対して垂直な断面において、前記溝部は、２以上の屈曲部を有し、
   前記金属缶の前記溝部における肉厚は、前記金属缶の前記溝部以外の最も薄い部分の肉厚の３０～８０％とされた、電池。
2. 前記第１金属部材は円筒である請求項１に記載の電池。