(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
角筒状の電池ケース内に電極群および電解液が収容され、前記電池ケースの開口部が封口体で密閉されてなる角形電池において、
前記電池ケースは、横断面形状が略矩形状となった４つの各側板部がそれぞれ所定の曲率半径Ｒ１で外方に膨れ出る緩やかな円弧形になっているとともに、前記各側板部の中点と前記電池ケースの横断面の中心点または中央点との距離ｒと、前記曲率半径Ｒ１との関係が、Ｒ１／ｒ＝４〜20の式を満足する横断面形状を有していることを特徴とする角形電池。
【請求項２】
電池ケースの各角部は、所定の曲率半径Ｒ２を有するアール形状に形成されているとともに、各側板部の中点と前記電池ケースの横断面の中心点または中央点との距離ｒと、前記曲率半径Ｒ２との関係が、Ｒ２／ｒ＝0.3 〜0.8 の式を満足する横断面形状を有している請求項１に記載の角形電池。
【請求項３】
電極群が電池ケースの横断面形状に対応した横断面形状に形成されている請求項１または２に記載の角形電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、横断面形状が略矩形状となった電池ケース内に発電要素を封入してなる密閉型の角形電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年では、各種ポータブル型の電気機器の発達に伴い、その駆動電源となる電池が重要なキーデバイスの一つとして開発が重要視されている。その電池のうちでも充電可能なニッケル水素電池やリチウム二次電池といった小型二次電池は、携帯電話機やノートパソコンあるいはビデオカメラなどを始めとして、近年ではハイブリッド電気自動車の駆動電源などとしての用途にも開発が進み、益々その需要を拡げつつある。
【０００３】
近年の携帯電話機などの電気機器においては、小型化および薄型化の要望が大きく、それらの駆動電源である電池に対しても小型化および薄型化の要望が高まりつつある。現在の電池の形状は、円筒型と角形と大別されるが、円筒型電池は、これら複数本をパックケースに収容して電池パックを構成する場合あるいは複数本を電気機器の電池収納部内に収容する場合の何れにおいても、無駄な残空間つまりデッドスペースが多くなってスペース効率が悪い上に、収納空間内での安定性も悪いので、上述した電気機器の小型化および薄型化に対し不向きである。これに対し、角形電池は、スペース効率が高い上に、収納空間内に安定した状態で収容できるので、電気機器の小型化および薄型化に適している。
【０００４】
ところが、密閉型の角形二次電池では、充放電時に発生するガスや内部に収納されている発電要素の膨潤などに起因して電池内圧が上昇したときに、より安定な形状である円形状になろうとする変形が生じ、電池ケースにおける特に長側板部が外方に比較的大きく膨れ出る状態に変形し易い。このような電池ケースの変形は種々の弊害をもたらす。例えば、渦巻状の電極群のうちの最外周の電極板を電池ケースの内周面に電気的接続状態に接触させている密閉型電池では、最外周の電極板と電池ケースとの接触抵抗が大きくなって電池の内部抵抗が増加するなどの不具合が生じる。
【０００５】
そこで、従来では、角形電池の電池内圧の上昇に対して電池ケースの変形を防止する手段として、電池ケースの一部に肉厚部を設けて電池ケースを補強する方法（特開昭62-93854号公報参照）や、横断面形状の外形が矩形状となった電池ケースの各角部の内面をそれぞれ緩やかな円弧状として、長側板部および短側板部の肉厚に対しこれらの接続部分である角部の肉厚を大きくする方法（特開平7-326331号公報参照）などが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電池ケースの一部に肉厚部を設ける手段では、電池内圧の上昇に対して電池ケースの変形を防止することはできるが、電池ケースの外形が大きくなって、小型化を図ることができない欠点がある。一方、矩形状の電池ケースの角部の肉厚を大きくする手段では、電池ケースの外形が大きくなるのを防止しながらも電池内圧の上昇に対し電池ケースの変形を防止できるが、電池ケースの容積が低下してしまい、電極群における正極および負極の各々の活物質の充填量が少なくなって単位体積当たりのエネルギ密度が低くなる欠点がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたもので、電池ケースを、外形の増大や内部容積の減少を招かない形状としながらも、電池内圧の上昇時における電池ケースの変形を確実に防止できる高い耐圧性を有する角形電池を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、角筒状の電池ケース内に電極群および電解液が収容され、前記電池ケースの開口部が封口体で密閉されてなる角形電池において、前記電池ケースは、横断面形状が略矩形状となった４つの各側板部がそれぞれ所定の曲率半径Ｒ１で外方に膨れ出る緩やかな円弧形になっているとともに、前記各側板部の中点と前記電池ケースの横断面の中心点または中央点との距離ｒと、前記曲率半径Ｒ１との関係が、Ｒ１／ｒ＝４〜20の式を満足する横断面形状を有していることを特徴としている。
【０００９】
この角形電池では、電池ケースの各々の側板部がＲ１／ｒ＞４の条件を満足して僅かに外方に膨れ出ているだけであって、略矩形の断面形状を有しているので、既存の角形電池と略同等の高いスペース効率を有している。しかも、この角形電池では、電池ケースの側板部が、Ｒ１／ｒ＜20の条件を満足して外方に向け予め膨れ出た緩やかな円弧状になっているので、充放電時に発生するガスや電極群の膨潤に起因して電池内圧が上昇した場合に、各側板部が外方に向けさらに膨れ出る状態に変形しようとするのが確実に抑制される。したがって、この角形電池では、側板部が僅かに外方に膨れ出ている分だけ内容積が増大するので、その増大した空間に電解液などの発電要素を収容して、エネルギ密度の向上を図ることができるとともに、電池ケースをその全体にわたり一定の肉厚に形成しながらも側板部の膨れを防止できるので、既存の角形電池と略同一の外形とした場合にも内容積が低減することがないため、充放電時に大きな電流を流すことができ、電池特性としての大容量、且つ高エネルギ密度を得ることができる。
【００１０】
上記発明において、電池ケースの各角部は、所定の曲率半径Ｒ２を有するアール形状に形成されているとともに、各側板部の中点と前記電池ケースの横断面の中心点または中央点との距離ｒと、前記曲率半径Ｒ２との関係が、Ｒ２／ｒ＝0.3 〜0.8 の式を満足する横断面形状を有していることが好ましい。
【００１１】
これにより、電池同士が互いに接触することによる損傷や打痕の発生を防止し、側板部の電池内圧の上昇による膨れを抑制する効果を得ることができるとともに、スペース効率が低下することがない。
【００１２】
また、上記発明において、電極群が電池ケースの横断面形状に対応した横断面形状を有していることが好ましい。これにより、電池ケース内に空間が少なくなって、単位体積当たりのエネルギ密度の向上を図ることができる。このような電極群の形状は以下のようにして得ることができる。例えば、重ね合わせた正極板、負極板およびセパレータを渦巻き状に巻回して円柱状としたのちに、これに金型による圧縮成形を施すことにより、電池ケースの断面形状に対応する断面略矩形状として、電池ケース内に圧入状態で挿入すれば、電極群が電池ケース内に挿入されたときに、緊迫度が僅かに緩んで元の円形状への復元力で膨れ出る状態に僅かに変形して、各側板部の内面に対しそれぞれ密接して、電極群が電池ケースの断面形状に対応する断面形状となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る角形電池を示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。この角形電池は、略正方形の横断面形状を有する有底角筒状の電池ケース１の内部に、周知の帯状の正極板と負極板とをこれらの間にセパレータを介在して渦巻き状に巻回してなる電極群２が収納され、且つ電解液（図示せず）が注入され、電池ケース１の円筒状となった開口頭部３に封口体４が嵌め込まれたのち、開口頭部３の開口周縁部が内方にかしめ加工されることにより、開口頭部３が封口体４によって密閉された構造になっている。
【００１４】
電池ケース１は、図２に示すように、断面形状が略正方形の４つの辺を構成する各側板部５がそれぞれ所定の曲率半径Ｒ１で外方に膨れ出る緩やかな円弧状になっているとともに、上記曲率半径Ｒ１と、各側板部５の内面における中点Ｃ２と電池ケース１の断面の中心点Ｃ１との距離ｒとが、Ｒ１／ｒ＝４〜２０の式を満足する断面形状になっている。
【００１５】
電極群２は、各々帯状となった正極板、負極板およびセパレータを渦巻き状に巻回して円柱状としたのちに、これに金型による圧縮成形を施すことにより、電池ケース１の断面形状に対応する断面略矩形状として、電池ケース１内に圧入状態で挿入するのが好ましい。これにより、電極群２は、電池ケース１内に挿入されたときに、緊迫度が僅かに緩んで元の円形状への復元力で膨れ出る状態に僅かに変形して、各側板部５の内面に対しそれぞれ密接する。
【００１６】
この角形電池は、電池ケース１が各々の側板部５が僅かに外方に膨れ出ているだけであって、略正方形の断面形状を有しているので、既存の角形電池と略同等の高いスペース効率を有している。ここで、Ｒ１／ｒ＜４に設定すると、既存の円筒型電池と同程度にまで空間効率が低下してしまう。
【００１７】
しかも、この角形電池では、電池ケース１における４つの側板部５がそれぞれ外方に向け予め膨れ出た緩やかな円弧状になっているので、充放電時に発生するガスや電極群２の膨潤に起因して電池内圧が上昇した場合に、直線状の平坦面となった４つの側板部を有する既存の角形電池とは異なり、電池ケース１の各側板部５が外方に向けさらに膨れ出る状態に変形しようとするのが確実に抑制される。ここで、Ｒ１／ｒ＞20に設定すると、上述の側板部５が外方に膨れ出るのを抑制する効果を十分に得ることができない。
【００１８】
したがって、この角形電池では、電池ケース１の電池内圧による変形が極めて小さく抑制されることから、電極群２における最外周の電極板と電池ケース１の内周面との接触抵抗が所定値に維持されるので、電池としての内部抵抗が増大するといった弊害が生じることがない。さらに、この角形電池は、横断面形状が矩形となった既存の角形電池と比較して、４つの側板部５が僅かに外方に膨れ出ている分だけ容積が増大するので、その増大した空間に電解液などの発電要素を収容して、エネルギ密度の向上を図ることができる。また、電池ケース１は、上述した従来の角形電池のように肉厚部を設けることなく、全体にわたり一定の肉厚に形成しながらも側板部５の膨れを防止できるので、内容積が低減することがない。これにより、この角形電池は、充放電時に大きな電流を流すことができ、電池特性としての大容量、且つ高エネルギ密度を得ることができる。
【００１９】
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る角形電池を示す横断面図であり、同図において、図２と同一若しくは同等のものには同一の符号を付してある。この角形電池の電池ケース７は、相対向する一対の長側板部７ａと相対向する一対の短側板部７ｂとを有する横断面形状が略長方形になっている。
【００２０】
すなわち、電池ケース７は、長側板部７ａがそれぞれ所定の曲率半径Ｒ１１で外方に膨れ出る緩やかな円弧状であって、長側板部７ａの内面における中点Ｃ２１と電池ケース７の断面の中央点Ｃ３との距離ｒ１とがＲ１１／ｒ１＝４〜２０の関係を満足するよう設定されているとともに、短側板部７ｂがそれぞれ所定の曲率半径Ｒ１２で外方に膨れ出る緩やかな円弧状であって、短側板部７ｂの内面における中点Ｃ２２と電池ケース７の断面の中央点Ｃ３との距離ｒ２とがＲ１２／ｒ２＝４〜２０の関係を満足するよう設定された断面形状を有している。
【００２１】
したがって、この角形電池は、電池ケース７を断面長方形状としながらも、第１の実施の形態の角形電池と同様に、充放電時に発生するガスや電極群２の膨潤に起因して電池内圧が上昇したときに、電池ケース１が外方に向けさらに膨れ出る状態に変形しようとするのが確実に抑制されるとともに、電解液などの発電要素を既存の角形電池よりも多い目に収容できるから、充放電時に大きな電流を流すことができ、電池特性としての大容量、且つ高エネルギ密度を得ることができる。
【００２２】
図４は本発明の第３の実施の形態に係る角形電池を示す斜視図、図５は図４のＢ−Ｂ線断面図であり、これらの図において、図１および図２と同一若しくは同等のものには同一の符号を付してある。この角形電池は、電池ケース８が第１の実施の形態と同様に略正方形の横断面形状を有しており、この電池ケース８の内部に、周知の帯状の正極板と負極板とをこれらの間にセパレータを介在して渦巻き状に巻回してなる電極群２が収納され、且つ電解液が注入され、電池ケース８の円筒状となった開口頭部９に封口体４が嵌め込まれたのち、開口頭部９の開口周縁部が内方にかしめ加工されることにより、開口頭部９が封口体４によって密閉された構造になっている。
【００２３】
電池ケース８は、図５に示すように、断面形状が略正方形の４つの辺を構成する各側板部５がそれぞれ所定の曲率半径Ｒ１で外方に膨れ出る緩やかな円弧状になっているとともに、各側板部５の内面における中点Ｃ２と電池ケース１の断面の中心点Ｃ１との距離ｒとが、Ｒ１／ｒ＝４〜２０の関係を満足する断面形状になっている。この形状自体は第１の実施の形態の電池ケース１と同様であるが、この形状に加えてさらに、隣接する二つの各側板部５の境界部である４つの四つの角部は、所定の曲率半径Ｒ２の円弧形状にそれぞれ形成されている。その円弧形状は、Ｒ２／ｒ＝0.3 〜0.8 の式を満足する横断面形状に形成されている。
【００２４】
したがって、この角形電池では、第１の実施の形態と同じ効果を得られるのに加えて、Ｒ２／ｒ＜0.3 に設定しているので、複数個を並置状態でパックケースに収納して電池パックを構成する場合または電気機器の電池収納部に収納する場合に、電池同士が互いに接触した際に損傷や打痕が発生するといった不具合を未然に防止できるとともに、側板部５の電池内圧の上昇による膨れを抑制する効果を低下させることがない。また、Ｒ２／ｒ＜0.8 に設定しているので、スペース効率が低下することがない。
【００２５】
図６は、本発明の角形電池の製造方法を工程順に示した斜視図であり、同図には第３の実施の形態の角形電池の製造工程を例示しているが、第１および第２の各実施の形態の角形電池も同様の工程を経て製造できる。先ず、（ａ）に示すように、電池ケース８は、図５に示したと同様の略正方形の断面形状を有する有底角筒状の形状に形成される。電極群２は、何れも帯状の正極板と負極板とをこれらの間にセパレータを介在して重ね合わせた状態で渦巻き状に巻回したのちに、電池ケース８の断面形状に対応する断面略正方形状に圧縮成形される。この電極群２には、正極リード片１１が上方に突出され、且つ負極リード片（図示せず）が下方に突出されている。このようにした電極群２は電池ケース８内に挿入される。
【００２６】
電極群２を電池ケース８内に挿入したのちに、電極群２の中央の孔から溶接用電極棒を挿入して、負極リード片が電池ケース８の底面に抵抗溶接される。つぎに、電池ケース８内の電極群２の上端面には絶縁板１０が被せられる。なお、図６では、図示便宜上、電池ケース８の挿入前に電極群２の上端面に絶縁板１０を被せた状態を示してある。
【００２７】
つぎに、電池ケース８には、その開口端の近傍箇所に対して金型による圧縮成形が行われて、（ｂ）に示すように、円筒状の開口頭部９が形成される。さらに、電池ケース８を回転させながら、その電池ケース８の回転方向と逆方向に回転するロール型（図示せず）を開口頭部９の側面に押し付けることにより、図４に示した環状溝１２が形成され、電極群２が電池ケース８内に固定される。
【００２８】
続いて、電池ケース８内には、電極群２の中央の孔から所定量の電解液が注入される。さらに、（ｃ）に示す封口体４には、これのフイルタ（図示せず）に正極リード片１１が抵抗溶接によって接続され、開口頭部９内に絶縁リング（図示せず）が挿入されたのち、封口体４が開口頭部９内に挿入されて環状溝１２によって電池ケース８の内方に膨出した環状の支持部上に載置され、この状態で開口頭部９が内方にかしめ加工されることにより、開口頭部９が封口体４によって密閉化され、図４に示す角形電池が構成される。
【００２９】
つぎに、本発明者らが実施した実験結果について説明する。先ず、第１の実施の形態の角形電池を以下のようにして製作した。すなわち、水酸化ニッケルを主体とする帯状の正極体と水素吸蔵合金を主体とする帯状の負極との間にセパレータを介在させて互いに重ね合わせるとともに、正極板の先端から正極リード片１１を一方向に突出させ、且つ負極板の先端部から負極リード片を他方向に突出させた状態で正極板、負極板およびセパレータを渦巻き状に巻回して電極群２を構成した。一方、電池ケース１は、曲率半径Ｒ１を50ｍｍ、距離ｒを11ｍｍにそれぞれ設定して、Ｒ１／ｒ＝4.5 となる断面形状に形成した。この電極群２と電池ケース１とを用いて、図６で説明したと同様の工程を経て、第１の角形電池を製作した。
【００３０】
また、第３の実施の形態の角形電池を以下のようにして製作した。すなわち、水酸化ニッケルを主体とする帯状の正極体と水素吸蔵合金を主体とする帯状の負極との間にセパレータを介在させて互いに重ね合わせるとともに、正極板の先端から正極リード片１１を一方向に突出させ、且つ負極板の先端部から負極リード片を他方向に突出させた状態で正極板、負極板およびセパレータを渦巻き状に巻回して電極群２を構成した。一方、電池ケース８は、曲率半径Ｒ１を100 ｍｍ、距離ｒを11ｍｍ、角部の曲率半径Ｒ２を４ｍｍにそれぞれ設定して、Ｒ１／ｒ＝9.1 およびＲ２／ｒ＝0.36となる断面形状に形成した。この電極群２と電池ケース８とを用いて、図６で説明したと同様の工程を経て、第２の角形電池を製作した。
【００３１】
さらに、比較例の角形電池として第３ないし第５の角形電池を製作した。これらの比較例の角形電池は、下記の表１に示すように、本発明におけるＲ１／ｒ＝４〜２０およびＲ２／ｒ＝0.3 〜0.8 の各条件を満足しない各電池ケースを用いて製作した。上記５種類の各電池ケースは、側板部および角部を含む全てにおいて肉厚が0.26ｍｍに均一になっている。なお、上記各電池は何れもニッケル水素電池である。
【００３２】
上記各角形電池を25°Ｃの周囲温度中に12時間放置したのちに、初充放電（充電は0.1 Ｃの電流値で15時間、放電は0.2 Ｃの電流値で４時間）を行い、電池ケースの膨れ度合いを調べた。この膨れ度合いは、電池ケースの長手方向の中央部外面における対向する側板部の中央点間の距離を充電前に測定し、つぎに、電池内圧が封口体４内の安全弁が作動し始める15ｋｇｆ／ｃｍ2 に達する時点まで充電を行ったのちに上記と同一箇所の距離を測定して、充電後の距離から充電前の距離を減算した値から求めた。その試験結果を表１に示すが、表１には、上述した第１ないし第５の電池をＢ１〜Ｂ５、側板部の曲率半径を上記したＲ１、角部の曲率半径を上記したＲ２でそれぞれ略して記載してあり、数値の単位は、Ｒ１／ｒおよびＲ２／ｒを除きすべてｍｍである。
【００３３】
【表１】
0003709134.tif 000002
上記の試験結果から明らかなように、本発明の実施の形態に係る第１および第２の角形電池Ｂ１，Ｂ２は、膨れ度合いがそれぞれ0.95ｍｍおよび0.73ｍｍであって、比較例の第３ないし第５の角形電池に比較して格段に小さい。これは、側板部を、Ｒ１／ｒ＝４〜20の範囲内の適度な円弧状に外方に向け膨出させたことによって膨れが抑制されたためである。
【００３４】
これに対し、第３の角形電池Ｂ３は、角部にアールを設けているが、側板部がフラットであるために膨れ度合いが1.63ｍｍと大きくなっている。また、第４の角形電池Ｂ４は、側板部が250 ｍｍの大きな曲率半径によってＲ１／ｒ＞20の条件で膨れ出ていることから、膨れの抑制効果が十分に得られず、膨れ度合いが1.60ｍｍとやはり大きくなっている。さらに、第５の角形電池Ｂ５は、側板部が、４＜Ｒ１／ｒ＜２０の好適な範囲内で外方に向け緩やかな円弧状に膨出されているが、角部がＲ２／ｒ＜0.3 以下のアールに形成されているために、膨れの抑制効果が半減して、膨れ度合いが第１および第２の角形電池Ｂ１，Ｂ２よりも大きい1.55ｍｍになっている。これにより、側板部はＲ１／ｒ＝４〜20の範囲内で外方に膨出させ、且つ角部はＲ２／ｒ＝0.3 〜0.8 の範囲内のアール形状にすれば、電池内圧の上昇時の膨れを効果的に抑制できることが判明した。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の角形電池によれば、電池ケースの各々の側板部が、Ｒ１／ｒ＝４〜20（Ｒ１は側板部の曲率半径、ｒは側板部の中点と電池ケースの横断面の中心点または中央点との距離）の式を満足して緩やかな円弧状に外方に膨れ出ているだけであって、略矩形の断面形状を有しているので、既存の角形電池と略同等の高いスペース効率を有しているとともに、充放電時に発生するガスや電極群の膨潤に起因して電池内圧が上昇した場合に、各側板部が外方に向けさらに膨れ出る状態に変形しようとするのが確実に抑制される。したがって、この角形電池では、側板部が僅かに外方に膨れ出ている分だけ内容積が増大するので、その増大した空間に電解液などの発電要素を収容して、エネルギ密度の向上を図ることができるとともに、電池ケースをその全体にわたり一定の肉厚に形成しながらも側板部の膨れを防止できるので、既存の角形電池と略同一の外形とした場合にも内容積が低減することがないため、充放電時に大きな電流を流すことができ、電池特性としての大容量、且つ高エネルギ密度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る角形電池を示す斜視図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る角形電池を示す横断面図。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る角形電池を示す斜視図。
【図５】図４のＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は同上の角形電池の製造工程を順に示した斜視図。
【符号の説明】
１，７，８  電池ケース
２  電極群
４  封口体
５  側板部
７ａ  長側板部（側板部）
７ｂ  短側板部（側板部）
Ｒ１，Ｒ１１，Ｒ１２  側板部の曲率半径
Ｒ２  角部の曲率半径
ｒ，ｒ１，ｒ２  側板部の中点と電池ケースの中心点または中央点と
の距離
Ｃ１  電池ケースの中心点
Ｃ２，Ｃ２１，Ｃ２２  側板部の中点
Ｃ３  電池ケースの中央点
【図１】
0003709134.tif 000003
【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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