(57)【要約】【課題】筒状電池内の圧力が異常な速度で上昇しても確実に電池の破裂・発火を防止する【解決手段】発電要素（２１〜２３）が収納された上方に開口する有底筒状の金属製電池缶１１の開口にガスケット３４を介して封口体３０ａが嵌着されて密閉されてなる筒状電池１ａであって、封口体は、上方を底面とした皿状の端子板３１ａと、端子板下方に配設された円盤状の封口板３２とからなり、端子板底面４４には、Ｖ字状の切欠４０によって形成された舌片が電池缶の内方に折り曲げられてなる切り刃４１と、切欠部分による排気口４２とが形成され、前記切り刃の先端４７は、前記封口板の上面に近接して電池缶内の内圧上昇に伴って前記封口板が上方に膨張した際に当該封口板を貫通するように構成され、前記皿状端子板には、前記排気口から当該底面の周縁部４６に延長するスリット状の孔５０ａが複数画成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方に開口する有底筒状の金属製電池缶内に発電要素が収納されているとともに、前記電池缶の開口にガスケットを介して封口体が嵌着されて当該電池缶が密閉されてなる筒状電池であって、
前記封口体は、上方を底面とした金属製皿状の端子板と、この端子板の下方に配設された円盤状の金属製薄板からなる封口板とによって構成され、
前記皿状端子板は、底面に略Ｖ字状の切欠によって形成された舌片を前記電池缶の内方にほぼ鉛直方向に立設するように折り曲げてなる切り刃を備えるとともに、当該切り刃を形成した跡の略三角形形状の開口を排気口として備え、
前記切り刃の先端は、前記封口板の上面に近接し、電池缶内の内圧上昇に伴って前記封口板が上方に膨張した際に、当該封口板を貫通するように構成され、  
前記皿状端子板の前記底面には、前記排気口から当該底面の周縁部に向かって延長するスリット状の孔が少なくとも一つ以上形成されている
ことを特徴とする筒状電池。
【請求項２】
上方に開口する有底筒状の金属製電池缶内に発電要素を収納するとともに、前記電池缶の開口をガスケットを介して封口体を嵌着することで当該電池缶を密閉してなる筒状電池であって、
前記封口体は、上方を底面とした金属製皿状の端子板と、この端子板の下方に配設された円盤状の金属製薄板からなる封口板とによって構成され、
前記皿状端子板は、底面に略Ｖ字状の切欠によって形成された舌片を前記電池缶の内方にほぼ鉛直方向に立設するように折り曲げてなる切り刃を備えるとともに、当該切り刃を形成した跡の略三角形形状の開口を排気口として備え、
前記切り刃の先端は、前記封口板の上面に近接し、電池缶内の内圧上昇に伴って前記封口板が上方に膨張した際に、当該封口板を貫通するように構成され、  
前記皿状端子板の底面の電池内側面には、前記排気口から当該底面の周縁部に向かって延長する直線上の溝が少なくとも一つ以上形成されている
ことを特徴とする筒状電池。
【請求項３】
前記皿状端子板において、当該皿の側壁面を形成する周辺面には、当該端子板の表裏を連絡する通気孔が穿設され、前記溝の延長方向に当該通気孔が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の筒状電池。
【請求項４】
前記溝は前記周辺面にまで延長し、前記通気孔は、当該溝の先端側の底に開口していることを特徴とする請求項３に記載の筒状電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、有底筒状の電池缶内に発電要素を収納してなる筒状電池に関し、具体的には、筒状電池の防爆安全機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の対象となる筒状電池の典型例として、正極活物質に二酸化マンガンを用い、負極活物質に金属リチウムを用いる二酸化マンガン−リチウム系のリチウム電池（ＣＲ型電池）を挙げる。図６に従来のＣＲ型電池の構造を示した。（Ａ）は、当該電池１を上方から見たときの平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるｄ−ｄ矢視断面図である。また（Ｃ）は（Ａ）におけるＤ−Ｄ矢視断面の拡大図である。図示したＣＲ型電池１ｂは、ボビン形と言われるもので、上方が開口する有底円筒状の正極缶１１、二酸化マンガン等の正極活物質を黒鉛等の導電助剤とともに中空円筒状に成形された正極合剤２１、円筒状の負極リチウム２２、円筒カップ状のセパレータ２３、負極端子を兼ねて正極缶１１の開口を密閉封口する封口体３０などによって構成されている。
【０００３】
正極缶１１は金属製であって電池ケースと正極集電体を兼ねる。下方底面には外側に凸状となる正極端子部１２がプレス加工により形成されている。そして、この正極缶１１内に、正極合剤２１、セパレータ２３、および負極リチウム２２が順次装填され、開口部近傍の周囲にビーディング部１０が加工形成されて、中空筒状の電極体が形成されている。
【０００４】
負極リチウム２２は金属リチウム板を丸めたものであって、その一部に負極リード３３の一端部があらかじめ取り付けられている。この負極リード３３は帯状の金属薄板で形成され、負極集電体を兼ねる。その他端部は封口体３０を構成するステンレスなどの金属製薄板からなる円盤状の封口板３２の内側（電池内側）にスポット溶接されている。封口体３０は、当該封口板３２とステンレスなどの金属からなる負極端子板３１とによって構成されている。負極端子板３１は、周囲にフランジを有する皿状であり、底面を上方にして皿を伏せた状態で封口板３２と積層されて封口体３０を構成している。
【０００５】
正極缶１１内には非水電解液（図示省略）が充填されており、封口体３０は、ガスケット３４とともに正極缶１１の開口部内側にビーディング部１０を座として装着されつつ、正極缶１１開口部が内方にかしめ加工（カール加工）されることで正極缶１１に嵌着されている。
【０００６】
ところで、上記構造の電池１において、皿状の負極端子板３１の底面４４には、略Ｖ字状の切欠４０が画成され、その切欠４０によって形成された舌片がその基端４９で正極缶１１内方に折り曲げられている。それによって、その舌片が鋭利な先端４７を有する切り刃４１となる。そして、その先端４７が封口板３２に近接している。また、負極端子板３１の底面４４には、この切り刃４１を形成したことにより、内外を連絡する鋭角三角形状の孔（排気口）４３が開口する。
【０００７】
当該皿状負極端子板３１の底面４４の周囲４６を縁とした壁面（周辺面）４５には、負極端子板３１の内外を連絡する小孔（通気孔）４３が形成されている。この封口板３２と切り刃４１は、電池１の誤使用による過放電や強制充電などで、当該電池１の内部にガスが発生し内圧が上昇した場合の防爆安全機構として動作する。そして排気口４２は、正極缶１１内外方を連絡してガスを外方へ放出するための通路（排気通路）となる。通気孔４３は、補助的な排気通路としての役割を担っている。
【０００８】
従来のボビン形電池１における防爆安全機構の動作を具体的に説明すると、まず、内圧上昇に伴って封口板３２が上方に膨らみ、切り刃４１の先端４７がこの封口板３２に突き刺さり封口板３２に穴を開ける。それによって、この穴から排気口４３に至る経路（排気経路）が形成されて、電池１内部のガスが外部へ逃げる。ガスの一部は、穴から通気孔４３に至る排気経路を通って外部に排気される。このようにして、電池１の破裂を防止できるようになっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の筒状電池では、電池缶内の内圧が想定外の速度で爆発的に上昇した場合、切り刃が封口板に突き刺さると、封口板が切り裂かれる。そして、その切り裂かれた封口板が排気口に向かって大きく撓むように膨張し、その膨張部分が排気口を塞いでしまう場合がある。図７にこのような爆発的な内圧上昇時における防爆安全機構の動作状態を示した。この図では、封口体３０の拡大断面図を示している。まず、正極缶（電池缶）１１内でガスが発生し、内圧が上昇すると封口板３２が上方へ膨張し切り刃４１の先端４７に当接し、封口板３２に穴３５が開く（Ａ）。ガスの発生が爆発的であると、この穴３５から封口板３２が切り刃４１を境にして分断する。そして、排気口４２を通じて外方に排気される間もなく、分断された封口板３２が正極缶１１に嵌着されている円盤周縁部分を支点にして一気に排気口４２に向かって撓み、端子板３１の底面４４の裏側４８に張り付く。それによって、最も大きな排気通路が閉塞されてしまう（Ｂ）。このような爆発的な内圧上昇時には、正極合剤やセパレータの破片などの固形物も噴出するため、封口板３２によって排気口４２が完全に塞がれなくても、排気口４２に残された僅かな間隙にこの固形物が集中し、排気口４２を完全に閉塞してしまう。もちろん、径が小さな通気孔４３も閉塞されてしまう。
【００１０】
このような状態になると、矢印６０で示したように、電池内で発生したガスは、切り刃４１によって封口板３２に穿設された穴３５から封口板３２の上方に案内されたあと、結局、排気通路が無い端子板３１と封口板３２との間の空間（網点部分）３６部分のみを緩衝領域とするだけで、それ以上の内圧上昇を抑えることができない。その結果、電池が破裂・発火する、という非常に危険な事態となる可能性がある。
【００１１】
そこで、本発明は、電池内でガスが爆発的に発生し、想定外の異常な速度で電池缶内の圧力が上昇したとしても、その内圧を確実に電池外へ開放し、電池の破裂・発火を防止する高度な安全機構を備えた筒状電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するための本発明は、上方に開口する有底筒状の金属製電池缶内に発電要素が収納されているとともに、前記電池缶の開口にガスケットを介して封口体が嵌着されて当該電池缶が密閉されてなる筒状電池であって、前記封口体は、上方を底面とした金属製皿状の端子板と、この端子板の下方に配設された円盤状の金属製薄板からなる封口板とによって構成され、前記皿状端子板は、底面に略Ｖ字状の切欠によって形成された舌片を前記電池缶の内方にほぼ鉛直方向に立設するように折り曲げてなる切り刃を備えるとともに、当該切り刃を形成した跡の略三角形形状の開口を排気口として備え、前記切り刃の先端は、前記封口板の上面に近接し、電池缶内の内圧上昇に伴って前記封口板が上方に膨張した際に、当該封口板を貫通するように構成され、前記皿状端子板の前記底面には、前記排気口から当該底面の周縁部に向かって延長するスリット状の孔が少なくとも一つ以上形成されている筒状電池とした。
【００１３】
あるいは、前記皿状端子板の底面の電池内側面に、前記排気口から当該底面の周縁部に向かって延長する直線上の溝が少なくとも一つ以上形成されている筒状電池としてもよい。そして、前記皿状端子板において、当該皿の側壁面を形成する周辺面には、当該端子板の表裏を連絡する通気孔が穿設され、前記溝の延長方向に当該通気孔が配置されている筒状電池とすればより好ましい。また、前記溝は前記周辺面にまで延長し、前記通気孔は、当該溝の先端側の底に開口していることとしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の筒状電池によれば、内圧が想定外の異常な速度で上昇したとしても、その内圧を確実に電池外方へ逃がし、電池の破裂や発火を防止することができる極めて高い安全性を確保することができる。また、その極めて高い安全性は、端子板の構造を変更するだけで達成でき、電池を製造する際に、別部品や別工程が不要であり、製造コストの増加を極めて低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施例における筒状電池の構造図である。
【図２】上記第１の実施例における封口体の構造と防爆安全機構の動作原理を示した図である。
【図３】上記第１の実施例のその他の実施形態における端子板の構造図である。
【図４】本発明の第２の実施例における封口体の構造と防爆安全機構の動作原理を示した図である。
【図５】本発明の第３の実施例における封口体の構造と防爆安全機構の動作原理を示した図である。
【図６】従来の筒状電池の構造図である。
【図７】従来の筒状電池における防爆安全機構が不完全に動作した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施例における筒状電池の基本構造は、図６に示した従来のボビン形電池１とほぼ同様であり、上方に開口する円筒状の金属製正極缶１１内に発電要素（２１〜２３）を収納し、当該開口に封口体３０を嵌着して正極缶１１を密閉してなっている。しかし、本実施例の電池では、従来の電池において課題となっていた爆発的な内圧上昇に対しても確実に正極缶１１内の発生ガスを排気できる極めて信頼性の高い防爆安全機構を備えている。
【００１７】
＝＝＝第１の実施例＝＝＝
図１に本発明の第１の実施例における筒状電池の構造を示した。（Ａ）は上方からの平面図であり、（Ｂ）は側断面図であり（Ａ）におけるＡ−Ａ矢視断面を示している。当該実施例に係る電池１ａは、従来の電池１と同様の基本構成を有しているが、皿状負極端子板３１ａの底面４４にスリット状の孔５０ａが画成されている点が従来の電池１とは異なっている。この例では、排気口４２から負極端子板３１ａの底面４４の周縁４６に向かって放射状に延長する３本のスリット状孔５０ａが形成されている。
【００１８】
図２に第１の実施例における防爆安全機構の動作を示した。（Ａ）は封口体３０ａを上方から見た平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるａ−ａ矢視断面図である。電池１ａの内部でガスが爆発的に発生した場合、ほぼ一瞬で、封口板３２が上方へ膨張して切り刃４１の先端４７がこれに穴３５を開ける。しかし、従来の電池１とは異なり、複数のスリット状孔５０ａが排気通路として十分に開口しており、内圧の上昇速度に見合う速度でガスを排気することができる。例え、封口板３２の一部が負極端子板３１ａの底面４４の裏側４８に張り付いたとしても、端子板３１ａの底面４４には、底面４４のほぼ中心にある排気口４３から周縁４６に延長するスリット状穴５０ａが複数形成されているため、排気口４３とスリット状孔５０ａの何れかの排気通路が生き残る。スリット状孔の一部が封口板３１で覆われたとしても、スリット状穴５０ａの一部、とくに端子板３１ａの底面４４の周縁４６近傍部分が排気通路として生き残る。それによって、ガスを速やかに排気するための排気経路６０ａが確保され、電池１ａの破裂・発火を防止することができる。
【００１９】
ここで、従来の筒状電池１と第１の実施例における筒状電池１ａについて、防爆安全機構の性能を比較した。当該比較に際しては、図１に示した第１の実施例における筒状電池（発明品）１ａと、図６に示した従来の筒状電池（従来品）１とをサンプルとして作製した。サイズは、ＣＲ８型とし、発明品１ａと従来品１とは、負極端子板（３１ａ，３１）におけるスリット状孔５０ａの有無を除けば全て同じ構造とした。なお、皿状の負極端子板（３１ａ，３１）は、厚さ０．４ｍｍのステンレス製で、その皿の周辺面４５の互いに対向する二箇所には、直径約０．５ｍｍの通気孔４３が穿設されている。また、発明品におけるスリット状孔５０ａは、幅が１ｍｍで負極端子板３１ａの底面４４の周縁４６にまで延長している。
【００２０】
そして、上記発明品１ａと従来品１について、強制過放電試験を行った。試験は、まず、各サンプルを１ｍＡの定電流で公称容量２，６００ｍＡｈｒを放電し完全放電品とする。次に、１２Ｖ電源で２０ｍＡ、３０ｍＡ、４０ｍＡのそれぞれの電流を流して強制過放電させ、公称容量を各電流値で除算した時間、２６００／２０＝１３０ｈ、２６００／３０≒８７ｈ、２６００／４０＝６５ｈ経過後を放電完了時点とする。その放電完了時点から７日間、各サンプルを常温で放置することで行った。試験結果は、この放置期間中の破裂・発火の有無によって判定した。また、当該試験に際しては、強制過放電条件時の三つの電流値毎に、発明品１ａ、従来品１ともに５本ずつサンプルを用意した。
【００２１】
表１に当該試験結果を示した。
【表１】
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【００２２】
完全放電後に２０ｍＡ、および３０ｍＡで強制放電させたサンプルでは、発明品１ａと従来品１は、ともに５本全てのサンプルで破裂・発火することがなかった。しかし、極めて過激な条件である４０ｍＡで強制過放電させたサンプルでは、従来品１の５本のサンプルの内、４本が破裂・発火した。一方、発明品１ａでは、全てのサンプルで破裂劣化しなかった。したがって、本発明の第１の実施例における筒状電池１ａは、極めて高い安全性を有することが確認できた。
【００２３】
＝＝＝スリットの数や開口率について＝＝＝
上記従来例や第１の実施例として示した筒状電池（１，１ａ）は、一般的な乾電池とは異なり、負極端子板（３１，３１ａ）の底面４４にリード端子がスポット溶接などによって取り付けられた状態で使用される場合が多い。そのため、第１の実施例における筒状電池１ａでは、切り刃４１を形成した跡である排気口４２に加え、スリット状孔５０ａを負極端子板３１ａに形成しており、このスリット状孔５０ａの数を多くしたり、スリット状孔５０ａの開口面積を広くしたりすると、リード端子を取り付ける場所が無くなってしまう。また、スリット状孔５０ａの数が多すぎたり、開口面積が大き過ぎたりすると、負極端子板３１ａの強度が低下する。そのため、スリット状孔５０ａを形成する場合には、リード端子の取付け場所や強度などを考慮してその数や開口率を設定する必要がある。
【００２４】
実験では、図３に示した端子板３１ａ−２のように５本のスリット状孔５０ａを形成し、負極端子板３１ａ−２の底面４４の面積の約３０％を開口させた場合でもリード端子を取り付けることが可能であり、強度も実用上問題がなかった。なお、内圧上昇に切り刃４１が封口板３２に穴を開ける際、切り刃４１の基端４９には大きな力が掛かる。そのため、切り刃４１の基端４９は、ある程度の幅が必要である。図１〜図３に示した例では、複数本のスリット状孔５０ａの内の１本のスリット状孔５１が排気口４２に連絡しておらず、細長い矩形状に切り抜かれている。それによって、基端４９の幅を確保している。なお、スリット状穴５０ａは、複数本ある方がより好ましいが、１本でもよく、その１本が排気口に連絡してさえいれば、排気経路６０ａを確保することができる。
【００２５】
＝＝＝第２の実施例＝＝＝
図４に、本発明の第２の実施例に係る筒状電池における封口体３０ｂの構造を防爆安全機構の動作原理とともに示した。（Ａ）は当該封口体３０を上方から見たときの平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるｂ−ｂ矢視断面図である。第２の実施例では、第１の実施例におけるスリット状孔５０ａに代え、排気口４２に連絡する溝５０ｂを負極端子板３１ｂの底面４４の裏側４８に形成している。図示した例では、溝５０ｂの平面形状は、第１の実施例における負極端子板３１ａにおけるスリット状孔５０ａと同じで、約１ｍｍの幅で排気口４２から負極端子板３１ｂの底面４４の周縁４６に向かって放射状に３本形成されている。そして、０．４ｍｍの端子板３１ｂの厚さに対し、溝５０ｂの深さは０．１５ｍｍとなっている。
【００２６】
第２の実施例では、ガス発生時の排気通路は、従来と電池１と同じ排気口４２と通気孔４３である。そのため、爆発的にガスが発生した場合には、従来の電池１と同様に、封口板３２が排気口４２を覆う。しかし、第２の実施例では、排気口４２に連絡する溝５０ｂが形成されているため、切り刃４１によって封口板３２に開いた穴３５から端子板３１ｂの底面４４方向に噴出したガスがその底面４４の裏側４８に形成されている溝５０ｂを伝って排気口４２に案内される。すなわち、封口板３２が排気口４２の開口面を全て覆っても、ガスの排気経路６０ｂが確保される。それによって、破裂・発火の可能性を極めて低くすることができる。実際、第１の実施例における負極端子板３１ａをこの第２の実施例における端子板３１ｂに変更したＣＲ８型電池をサンプルとして上記強制過放電試験を実際に行ったところ、全ての電流値での強制過放電試験において、破裂・発火するサンプルが無かった。
【００２７】
＝＝＝第３の実施例＝＝＝
上記第２の実施例では、通気孔４３は、従来の電池１と同様に補助的な排気通路として形成されていた。本発明における第３の実施例は、この通気孔４３を積極的に活用して排気を促す実施形態である。図５に当該第３の実施例における筒状電池の封口体３０ｃの構造を防爆安全機構の動作原理とともに示した。（Ａ）は封口体３０の平面図であり、（Ｂ）は側断面図で、（Ａ）におけるｃ−ｃ矢視断面を示している。（Ｃ）は、第３の実施例の変形例であり、封口体３２の側断面図を示している。
【００２８】
当該第３の実施例では、第２の実施例と同様に負極端子板３１ｃの底面４４裏側４８に放射状の溝５０ｂが形成されている。しかし、第３の実施例では、溝５０ｂの延長方向に通気孔４３が配置されている点が異なっている。このような構成にすることで、図中に示した排気経路６０ｃのように、封口板３２と端子板３１ｃとの間の空間３６に充満したガスが溝５０ｃに案内されつつ通気孔４３にも案内されてより素早く電池缶内のガスを排出することができるようになっている。もちろん、（Ｃ）に示した変形例のように、溝５０ｃが、皿状端子板３１ｃの底面４４の中心から底面周縁４５を経由して周辺面４６にまで延長し、その延長方向の先端に通気孔４３が配置されて、溝５０ｃの先端側の底に通気孔４３が開口していてもよい。
【符号の説明】
【００２９】
１、１ａ  筒状電池
１１  正極缶（電池缶）
２１  正極合剤
２２  負極リチウム
２３  セパレータ
３０、３０ａ〜３０ｃ  封口体
３１、３１ａ、３１ａ−２、３１ｂ、３１ｃ  端子板
３２  封口板
３４  ガスケット
３５  穴
４０  切欠
４１  切り刃
４２  排気口
４３  通気孔
４４  端子板の底面
４５  端子板の周辺面
５０ａ  スリット状孔
５０ｂ、５０ｃ  溝
６０ａ〜６０ｃ  排気経路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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