JP2016029609A - 筒型電池の絶縁ガスケット及び筒型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】筒型電池において、使用開始から放電末期までの期間において、より安定した放電特性を得る。【解決手段】有底円筒状の電池缶１０内に、正極合剤２０、セパレータ３０、負極４０が収納され、電池缶１０の開口に負極端子６０が封口体５０を介して設けられてなる筒型電池１である。封口体５０は封口板５１と絶縁ガスケット５２とを一体的に成形してなり、絶縁ガスケット５２には、封口板５１の電池缶１０内方側表面からセパレータ３０の開口端縁までにわたる厚みを有する環状の正極保持部が設けられ、電池１の放電につれて正極合剤２０が負極の封口板５１方向へ膨張するのを規制する機能を果たす。また、正極保持部には、その厚み方向に設けられた空間である電解液保持部が設けられており、安定した放電反応を維持するのに必要な量の電解液を電池１内に保持する。【選択図】図１

Description

本発明は、筒型電池の絶縁ガスケット及び筒型電池に関する。

筒型電池は、各種電気機器の電源用一次電池として広く使用されている。特に、筒型のリチウム一次電池は、正極活物質である二酸化マンガン、フッ化黒鉛、酸化銅などを用いた正極と、金属リチウム（金属Ｌｉ）あるいはＬｉ合金からなる負極活物質を含む負極と、有機電解液とを用いて、高エネルギー密度を有するとともに、優れた保存性を有して、各種小型携帯機器の電源、バックアップ電源として広く用いられている。

従来の一般的な筒型リチウム一次電池の構成例を、図６に示している。図６は、一般的な筒型リチウム一次電池１の構成例を示す縦断面図である。図６に例示している筒型リチウム一次電池１は、例えば非特許文献１に示されているような電池であり、概略有底円筒状の電池缶１０と、その内部に環状に配置されている正極合剤２０とを有している。正極合剤２０の内側には、略有底円筒状のセパレータ３０が配置され、そのセパレータ３０の内側には略円筒状の負極４０が収納されている。電池缶１０は、長期間の使用を可能とするために、耐食性に優れたＳＵＳ材等を用いて形成する。

電池缶１０の開口端には、略円盤状の封口体５０がはめ込まれており、電池缶１０の開口端内周部と封口体５０の外周縁とがレーザ溶接等の手段で接合されることで電池缶１０が密封されている。封口体５０は、中空円板状の金属製封口板と、外周に封口板の内周側を上下方向から挟持する溝が形成された樹脂製のガスケットとから構成されている。

ガスケットの中心部には円形の貫通孔が設けられ、負極端子６０が挿通されている。負極端子６０の電池缶１０内への突出部にはスペーサ７０がはめ込まれており、負極端子６０の突出部端部には帯状導電体でなる負極集電体６５が溶接されている。負極集電体６５の他端側は負極４０内に差し込まれて、負極端子６０と負極４０とを電気的に接続している。なお、電池缶１０の開口端には、略円環状の外板５５が当接されている。それによって、正極集電体でもある電池缶１０と負極端子６０とが、封口板を介して短絡するのを防止している。

セパレータ３０の開口端縁は封口体５０の電池缶１０側内表面に当接しており、正極合剤２０と負極４０とを分離している。

以上の構成を有して二酸化マンガンを正極活物質とする筒型リチウム一次電池では、以下の放電反応が生起する。
負極反応 Ｌｉ→Ｌｉ^＋＋ｅ⁻
正極反応 Ｍｎ^IVＯ_２＋Ｌｉ^＋＋ｅ⁻→Ｍｎ^IIIＯ_２（Ｌｉ^＋）
全電池反応 Ｍｎ^IVＯ_２＋Ｌｉ→Ｍｎ^IIIＯ_２（Ｌｉ^＋）
この放電反応により、約３Ｖの起電力が得られる。

ＦＤＫ株式会社、"High Power Cylindrical Type Primary Lithium Batteries"、[online]、[平成２６年５月２０日検索]、インターネット＜URL: http://www.fdk.com/battery/lithium_e/lithium_cylindrical_s_l.html＞

以上説明したような、非特許文献１に例示されているもの等の従来の筒型リチウム一次電池では、負極の金属ＬｉがＬｉ^＋イオンとして正極側に移動するため、正極合剤２０が膨張する。具体的には、図６に示す筒型リチウム一次電池１においては、環状に形成された正極合剤２０は、径方向外方および径方向内方については電池缶１０およびセパレータ３０を介して当接する負極４０の金属Ｌｉによって膨張に伴う変形が規制されるものの、電池缶１０の長手方向においては膨張に伴う変形が規制されないため、放電反応が進むにつれて正極合剤２０が主として封口体５０の方向へ膨張し、特に放電末期においては負極４０との十分な反応が行えなくなり正極合剤２０を完全に使いきることが困難であるという問題があった。この場合、放電末期では正極合剤２０と負極４０との間の導電経路が不均一になり、放電容量のばらつきが大きくなる。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、使用開始から放電末期までの期間において、より安定した放電特性を得ることができる筒型電池の絶縁ガスケット及び筒型電池を提供することを一つの目的としている。

前記の、及び他の問題点を解決するために、本発明の一つの態様は、有底円筒状の電池缶と、当該電池缶の内側に配置されている環状の正極と、当該正極の内側に配置される有底円筒状のセパレータと、当該セパレータの内側に配置される負極と、前記負極と電気的に接続されている負極端子とを備えた筒型電池の絶縁ガスケットであって、前記絶縁ガスケットは、前記負極端子が挿通固定される中空部を有する円筒状に形成されており、前記電池缶の開口部にはめ込まれる平板状の封止板と、当該封止板の中央部で当該封止板と一体的に組み合わされ、前記電池缶内の前記正極を保持すべく当該正極に対向する正極保持部と、前記正極保持部の厚み方向に凹状に設けられ前記セパレータに含浸された電解液を収容する電解液保持部とを有していることを特徴とする筒型電池の絶縁ガスケットである。

また、本発明の他の態様は、有底円筒状の電池缶と、当該電池缶の内側に配置されている環状の正極と、当該正極の内側に配置される有底円筒状のセパレータと、当該セパレータの内側に配置される負極と、前記負極と電気的に接続されている負極端子と、前記電池缶を封止するための封口体とを備え、前記封口体は、前記電池缶の開口部にはめ込まれる平板状の封止板と、前記封止板の中央部に当該封止板と一体的に形成され、前記負極端子が挿通固定される中空部を有する円筒状の絶縁ガスケットとを備え、前記絶縁ガスケットは、前記電池缶内の前記正極を保持すべく当該正極に対向する正極保持部と、前記正極保持部の厚み方向に凹状に設けられ前記セパレータに含浸された電解液を収容する電解液保持部とを有していることを特徴とする筒型電池である。

本発明の一態様によれば、使用開始から放電末期までの期間において、より安定した放電特性を得ることができる筒型電池の絶縁ガスケット及び筒型電池を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る筒型リチウム一次電池１の構成を例示する縦断面図である。 図２は、図１の筒型リチウム一次電池１に用いられる封口体５０の構成を例示する縦断面図である。 図３は、本実施形態の封口体５０の構成例を示す平面図である。 図４は、本実施形態の封口体５０の他の構成例を示す平面図である。 図５は、図４の封口体５０の斜視図である。 図６は、従来の筒型リチウム一次電池１の構成例を示す縦断面図である。

以下に、添付図面を参照して、本発明の実施形態について具体的に説明する。なお、本発明は、それらの実施形態に限定されるものではない。

まず、図１に、本実施形態に係る筒型リチウム一次電池１の構成例を示す縦断面図を示している。図１において、図６と同一の又は対応する構成部分については同一の符号を付している。

図１に示されるように、本実施形態の筒型リチウム一次電池１の構成は図６により説明した従来のものとほぼ同様であり、有底筒状の電池缶１０と、その電池缶１０の内面に沿って嵌着されたリング状の正極合剤２０と、正極合剤２０の内側に挿入される有底筒状のセパレータ３０と、電池缶１０の中心部となるセパレータ３０の中空部に配置される負極４０と、電池缶１０の開口部に装着される封口体５０とを備える。

電池缶１０は、例えばＳＵＳ材を有底筒状にプレス成形することによって形成され、その底部の中央に正極端子が突設されている。正極合剤２０は、例えば電解二酸化マンガンを正極活物質として、黒鉛、及びバインダを混合した粉体状の正極材料を整粒した後、これを円筒状にプレス成形することで作製される。

セパレータ３０は、正極合剤２０と負極４０との間を電気的に分離する絶縁材料であり、ビニロン・レーヨン不織布、ポリオレフィン・レーヨン不織布などのセパレータ原紙を円筒状に巻回し、重なり合う部分を熱融着させることで作製される。

負極４０は、セパレータ３０の内部にはめ込まれるように、板状の金属Ｌｉを円筒状にロール加工（曲げ加工）して形成したものである。

封口体５０は、中央に開口部を有する略円盤状の部材であり、例えばＳＵＳ材で形成された封口板５１と、この封口板５１と一体的にインサート成形された絶縁ガスケット５２とを有する。絶縁ガスケット５２の中央に設けられた開口部には負極端子６０が挿通されており、その電池缶１０内に突出する一端部には負極集電体６５がその一端部において固接されている。また、当該負極端子６０の一端部には樹脂等の絶縁材料で形成されたスペーサ７０がはめ込まれ、負極端子６０が封口体５０から脱落するのを防止している。負極集電体６５の他端部は、負極４０の中に挿入されている。封口板５１の外周部は、電池缶１０の開口端部に密接状態ではめ込むことができるように折り上げられており、電池缶１０の開口部端縁と封口板５１の折り上げ端縁とは、レーザ溶接により接合され、電池缶１０を密封する。

本実施形態の封口体５０について、図２を参照してさらに詳しく説明する。図２は、封口体５０の構成例を示す縦断面図である。前述のように、封口体５０は、封口板５１と絶縁ガスケット５２とを有する。封口板５１は外周部がほぼ直角に折り上げられた円盤状のＳＵＳ材等で形成され、中央部に負極端子６０が貫通する貫通孔が設けられている。封口板５１は、絶縁性の樹脂で形成される絶縁ガスケット５２と、インサート成形等により一体的に組合せられる。

絶縁ガスケット５２は、封口板５１を対向して挟みこむように配置されており、電池缶１０の外方側表面に位置する平板部５２ａと、電池缶１０の内方側表面に位置する正極保持部５２ｂとを備える。平板部５２ａと正極保持部５２ｂとは、封口板５１の開口部を通じて貫通孔５２ａ１を取り囲むように位置する環状部分を介して連続しており、負極端子６０はその貫通孔５２ａ１に挿通される。

絶縁ガスケット５２の平板部５２ａは、封口板５１の電池缶１０外方側表面に貫通孔５２ａ１を取り囲むように設けられ、負極端子６０の取付座の役割も果たす。一方、正極保持部５２ｂは、貫通孔５２ａ１の周囲において電池缶１０の内方側表面に設けられる、電池缶１０の長手方向に肉厚な環状部材として配設されている。正極保持部５２ｂの外周縁は、封口板５１の外周縁屈曲部のやや内側に位置するように設けられる。正極保持部５２ｂの内周縁は、セパレータ３０の内周縁のやや内側に位置するように設けられる。正極保持部５２ｂの内周縁には、正極保持部５２ｂの電池缶１０内方側表面から周状に凸設されるスカート部５２ｃが設けられている。スカート部５２ｃは、対向するセパレータの開口端縁部の内周側と密接して、電池缶１０内の正極側と負極側とを分離する機能を有する。なお、図１の例では正極保持部５２ｂの機能をより確実なものとするために、正極保持部５２ｂと正極合剤２０との間に、樹脂等の絶縁材で形成した扁平なリング８０が配置されているが、このリング８０は省略しても構わない。

図１に示すように、正極保持部５２ｂの厚さは、概略、電池缶１０にはめ込まれた封口板５１の電池缶１０内方側表面からセパレータ３０の開口端までの寸法である。正極保持部５２ｂがこのような厚みを有しているために、本実施形態の筒型リチウム一次電池１では、放電の過程で正極合剤２０が電池缶１０内で封口体５０の方へ向かって膨張した場合でも、膨張しようとする正極合剤２０が封口体５０の正極保持部５２ｂに当接することにより膨張が規制されるので、放電末期まで安定した放電反応を継続させることができ、もって放電容量を十分い使い切るようにすることができる。

一方、正極保持部５２ｂには、その厚み方向に正極保持部５２ｂの表面を凹ませてなる電解液保持部５２ｂ１が設けられる。図３に、図２の封口体５０をＸ−Ｘ方向から見た平面図の例を示している。図３の例では、環状の正極保持部５２ｂに等間隔で８個の凹部が設けられ、これらが電解液保持部５２ｂ１を構成している。なお、電解液保持部５２ｂ１は、上記以外の数、形状であってもよく、要するに筒型リチウム一次電池１としての電池反応を安定的に継続させるのに十分な電解液の保持空間を提供することができるように決定されればよい。図４、図５には、本実施形態の封口体５０の変形例を示している。図４は変形例の封口体５０を図２のＸ−Ｘ方向で見た平面図、図５は、その封口体５０の斜視図である。これらの例では、図２、図３に例示する封口体５０の正極保持部５２ｂの外周部を略等間隔で７箇所において切り欠くことによって電解液保持部５２ｂ１を形成している。図２の封口体５０が円筒状凹所としての電解液保持部５２ｂ１を構成しているのに対し、図４、図５の変形例では、封口体５０を電池缶１０にはめ込んだ時に、前記各切り欠きと電池缶１０の内周面との間に電解液保持部５２ｂ１が形成されることとなる。なお、図４、図５の変形例の場合においても、切り欠きの寸法、及び設置数は、所定の放電反応を確保するために電解液保持部５２ｂ１について要求される仕様から決定すればよい。

以上説明した本実施形態の封口体５０によれば、前記のように、膨張しようとする正極合剤２０が封口体５０の正極保持部５２ｂに当接することにより膨張が規制されるので、放電末期まで安定した放電反応を継続させることができる。また、正極保持部５２ｂに設けた電解液保持部５２ｂ１により、筒型リチウム一次電池１としての電池反応を安定的に継続させるのに十分な電解液の保持空間を提供することができる。さらに、封口体５０を電池缶１０にはめ込んだ時の絶縁ガスケット５２の変形が、正極保持部５２ｂに設けられた凹所、あるいは切り欠きによって均一化され、電池１を高温で保存した場合の割れ等の損傷を防止することができる。さらに、封口体５０の絶縁ガスケット５２に設けた電解液保持部５２ｂ１としての凹所、切り欠きの存在による冷却効果が見込まれるため、電池缶１０と封口板５１とをレーザ溶接する際の絶縁ガスケット５２の溶融不良、絶縁部５２の熱変形によるピンホール発生の防止が期待できる。また、封口体５０の絶縁ガスケット５２に設けた電解液保持部５２ｂ１としての凹所、切り欠きの存在により、絶縁ガスケット５２に使用する樹脂の量を減少させ、製造コスト低減を図ることができる。

実施例
次に、本実施形態の封口体５０を用いた筒型リチウム一次電池１についての放電特性を測定し、正極保持部５２ｂ及び電解液保持部５２ｂ１を有しない封口体５０を使用したことのみが異なる従来の筒型リチウム一次電池１の場合と比較してその効果について説明する。

従来の封口体５０および、本実施形態の封口体５０をそれぞれ使用したリチウム一次電池１について、放電容量を測定した結果を表１に示している。

従来の電池１では、放電容量が約７３０〜８９０ｍＡｈの範囲でばらつくことが観察されるのに対し、本実施形態の封口体５０を有する電池１では、放電容量の分散の範囲が約８７０〜９３０ｍＡｈとなった。標準偏差でも従来の電池では４０ｍＡｈであったものが本実施形態では１６ｍＡｈとなり、従来より安定な放電特性が得られることが確認された。このことより、本実施形態の封口体５０を使用することで、正極合剤２０の膨張による、導電経路の不均一化を防止する効果があると考えられる。

以上詳細に説明したように、本発明の実施形態に係る封口体５０を備えた筒型リチウム一次電池１によれば、使用開始から放電末期までの期間において、より安定した放電特性を得ることができる。

１ 筒型リチウム一次電池 １０ 電池缶 ２０ 正極合剤（正極）
３０ セパレータ ４０ 負極 ５０ 封口体
５１ 封口板 ５２ 絶縁ガスケット ５２ａ 平板部 ５２ｂ 正極保持部
５２ｂ１ 電解液保持部 ５２ｃ スカート部 ６０ 負極端子
６５ 負極集電体 ７０ スペーサ ８０ リング

Claims (4)

1. 有底円筒状の電池缶と、当該電池缶の内側に配置されている環状の正極と、当該正極の内側に配置される有底円筒状のセパレータと、当該セパレータの内側に配置される負極と、前記負極と電気的に接続されている負極端子とを備えた筒型電池の絶縁ガスケットであって、
   前記絶縁ガスケットは、
   前記負極端子が挿通固定される中空部を有する円筒状に形成されており、前記電池缶の開口部にはめ込まれる平板状の封止板と、当該封止板の中央部で当該封止板と一体的に組み合わされ、
   前記電池缶内の前記正極を保持すべく当該正極に対向する正極保持部と、
   前記正極保持部の厚み方向に凹状に設けられ前記セパレータに含浸された電解液を収容する電解液保持部とを有している、
   ことを特徴とする筒型電池の絶縁ガスケット。
2. 請求項１に記載の筒型電池の絶縁ガスケットであって、
   前記電解液保持部は、前記絶縁体の前記正極保持部にその厚み方向に凹設された少なくとも一の凹所として形成されていることを特徴とする筒型電池の絶縁ガスケット。
3. 請求項１に記載の筒型電池の絶縁ガスケットであって、
   前記電解液保持部は、前記絶縁体の前記正極保持部の外周において所定の箇所に設けられた前記正極保持部の内周方向へ凹設された凹所として形成されていることを特徴とする筒型電池の絶縁ガスケット。
4. 有底円筒状の電池缶と、当該電池缶の内側に配置されている環状の正極と、当該正極の内側に配置される有底円筒状のセパレータと、当該セパレータの内側に配置される負極と、前記負極と電気的に接続されている負極端子と、前記電池缶を封止するための封口体とを備え、前記封口体は、
   前記電池缶の開口部にはめ込まれる平板状の封止板と、
   前記封止板の中央部に当該封止板と一体的に形成され、前記負極端子が挿通固定される中空部を有する円筒状の絶縁ガスケットとを備え、
   前記絶縁ガスケットは、前記電池缶内の前記正極を保持すべく当該正極に対向する正極保持部と、
   前記正極保持部の厚み方向に凹状に設けられ前記セパレータに含浸された電解液を収容する電解液保持部とを有していることを特徴とする筒型電池。