(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正負電極をセパレータを介在させて積層または渦巻き状に巻回してなる発電体と、前記発電体を収納する開口を有する筒状外装缶と、を構成要素とする密閉型電池において、
前記外装缶は、開口端部を一方端とする拡径部と、外装缶の軸方向に対する傾斜角度が５０度以下（ただし１５度以上を除く）に設定されている拡径部に続く傾斜部と、傾斜部に続く本体部とからなり、本体部よりも開口端部側の方が常に内径が大きく、かつ本体部から開口端部に至る内側面には段差が設けられていないことを特徴とする密閉型電池。
【請求項２】
前記拡径部の側面には傾斜がなく、かつ前記本体部の肉厚よりも薄いことを特徴とする、請求項１記載の密閉型電池。
【請求項３】
前記密閉型電池が角形であり、前記拡径部の開口端部の肉厚が０．１５ｍｍ以上で、かつ数１で定義されるクリアランス率が４．５％以上、１４．８％以下となるように、前記開口端部の内径と前記発電体の外径との関係が規制されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の密閉型電池。
【数１】
0003568354.tif 000010
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は密閉型電池に関し、より詳しくは密閉型電池に使用される外装缶の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セパレータを介在させて正負電極を渦巻き状に巻回した渦巻き電極群や、セパレータを介在させて正負電極を多数積層した積層電極群などの発電体を、開口を有する筒状の外装缶に収納した後、前記開口を封口してなる密閉型電池においては、外装缶に発電体を挿入する際に発電体の端縁に損傷を与えないようにするために、発電体の外寸を外装缶の内径よりも０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ程度小さくするのが一般的である。
【０００３】
しかし、発電体の外寸を外装缶の内径よりも小さくすると、発電体の挿入時における作業性が良くなり、また発電体の損傷が防止できるものの、その一方で次のような問題を生じる。
（１）  外装缶は、収納された渦巻き電極群などの発電体に適度な押圧力（構成圧）を付与する役割を担っている。したがって、外装缶と発電体との間のクリアランスが拡大すると構成圧が不足し、例えば正負極間の距離が広がるなどして、電池性能が低下する。
（２）  また従来では、発電体の外寸を小さくすることにより、外装缶内側面とのクリアランスを大きくしていた。したがって、発電体を挿入し易くしようとすると、電池容量をある程度犠牲にする必要がある。
（３）  他方、発電容量の減少を避けるために、クリアランスを小さくすると、上記した如く、挿入作業性が悪くなり、挿入時に発電体の損傷を招くという問題が生じる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、密閉電池の製造における上記問題点に鑑みなされたものであって、発電体が挿入し易い外装缶構造を案出し、もって発電体挿入に起因する不良率を低減すると共に、外装缶の収納効率を向上させ、より高容量な密閉型電池を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明第１の態様は、正負電極をセパレータを介在させて積層または渦巻き状に巻回してなる発電体と、前記発電体を収納する開口を有する筒状外装缶と、を構成要素とする密閉型電池において、開口端部を一方端とする拡径部と、拡径部に続く傾斜部と、傾斜部に続く本体部とからなり、本体部よりも開口端部側の方が常に内径が大きく、かつ本体部から開口端部に至る内側面には段差が設けられていない外装缶を使用したことを特徴とする。
【０００６】
本発明第２の態様は、上記第１の態様の密閉型電池において、前記拡径部の肉厚が一定であり、かつ前記拡径部の肉厚が本体部の肉厚よりも薄いことを特徴とする。
【０００７】
本発明第３の態様は、上記第１または第２の態様の密閉型電池において、前記傾斜部の傾斜が一次関数的であり、かつ外装缶の軸方向に対する傾斜角度が５０度以下に設定されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明第４の態様は、上記第１乃至第３の態様の密閉型電池において、前記拡径部の開口端部の肉厚が０．１５ｍｍ以上であり、かつ数１で定義されるクリアランス率が４．５％以上、１４．８％以下となるように、前記開口端部の内径と前記発電体の外径との関係が規制されていることを特徴とする。
【０００９】
【数１】
0003568354.tif 000002
【００１０】
【実施の形態】
本発明構成の意義および本発明の実施の形態について説明する。
【００１１】
図１に本発明にかかる密閉型電池の断面模式図を示し、図２に外装缶の構造を説明する斜視図を示す。これらの図を参照しながら本発明電池の概要を説明する。図１中、１は、アルミニウム合金からなる外装缶であり、２は、前記外装缶と同様なアルミニウム合金からなる封口板である。３は外部端子板であり、４は封口板２と外部端子板３を絶縁するガスケットである。５は正負電極とセパレータからなる発電体である。この発電体は、正負電極の間にセパレータを介して渦巻き状に巻回した渦巻き電極群、またはセパレータを介して対向する電極体を多数積層した積層電極群の何れであってもよい。発電体５の構成部材である正負電極には、それぞれ正極集電タブ６、負極集電タブ７が付設されており、更に集電タブ６、７は、それぞれ外部端子板３、外装缶１に電気的に接続されている。
【００１２】
図１、図２から明らかなように、外装缶１の上方は開口されており、この開口から図３に示すようにして、発電体５が外装缶１内に挿入される。また、この開口を介して電解液が注液される。そして、この開口は、外装缶本体内に発電体や電解液が収納された後、外部端子板３及びガスケット４を組み込んだ封口板２が嵌合され、嵌合面をレーザビームで溶接する方法より封口される。なお、封口方法としては、クリンプ方式を用いることもできる。
【００１３】
次に、本発明の特徴部分である外装缶の構造について詳説する。本発明にかかる外装缶１は、開口端部近傍の内径（Ａ２）が、発電体外装缶本体部２２の内径（Ａ１）よりも広く形成されている。以下、本体部２２よりも内径を広くしたこの部分を拡径部２０とする。この拡径部２０と本体部２２の間には傾斜部２１が設けられており、傾斜部２１は、段差を生じることなく拡径部２０と本体部２２に連続している。
【００１４】
なお、外装缶本体部とは、発電体や電解液などの発電要素が収容されている外装缶部分を指す。また通常、密閉型電池では、封口板の下面と発電要素の上端との間には５〜６ｍｍの空間部が存在するが、本発明の傾斜部は概ねこの空間部に位置している。
【００１５】
ところで、同一サイズの電池では、外装缶の肉厚が薄いほど、大きな発電体を収容できるので、その分電池容量を高めることができる。しかし、外装缶本体部分の肉厚を過度に薄くすると、強度不足により電池形状を十分に保持し得なくなるので好ましくない。このため、本発明では、外装缶本体部分の肉厚をそのままとし、開口端部近傍（拡径部２０）の肉厚を薄くして拡径し、更に開口端部近傍と本体部との間には傾斜部を設けて段差が生じない構造の外装缶を採用する。
【００１６】
このような構造の外装缶であると、発電体をスムーズに挿入できるので、電池組み立て工程における作業性が格段に向上すると共に、外径が同一の外装缶であっても、より大きい発電体を挿入することができる。更に封口板と嵌合する開口端部の肉厚が薄いので、その分、レーザ溶接における熱損失が少なくなる。よって、レーザ走行スピードをアップでき、またレーザ出力を下げても良好な溶接がなし得るようになる。
【００１７】
上記のごとく、本発明は発電体の収納をスムーズならしめ発電体の収納効率を高めることを目的とするものである。よって、前記拡径部２０と傾斜部２１は、段差を生じることなく、外装缶本体２２側から外装缶端部に向かって内径が広がる形状に構成されていればよい。具体的には、拡径部２０の形状は、本体部の内径よりも大きい内径であれば、平行筒状、テーパー状、または外アール状、内アール状の何れの形状であってもよい。また、傾斜部２１は、一方端が段差を生じることなく拡径部２０に連続し、他方端が段差を生じることなく本体部２２に連続しておればよく、外装缶の軸方向の傾斜面が直線的であっても曲線的であってもよい。
【００１８】
更に、本発明にかかる外装缶においては、拡径部２０と傾斜部２１と本体部２２との境目が明瞭でなくともよい。発電体の挿入の面からすると、むしろ境目が明瞭でない方が、スムーズな挿入が実現し易いからである。但し、外装缶端部近傍である拡径部２０には、封口板２が嵌合される。よって、嵌合し易さの面から、拡径部２０の側面は傾斜がないのがよく、また拡径部２０の深さ方向長が封口板２の厚みとが略同一なのが好ましい。
【００１９】
他方、発電体を円滑に挿入するための好ましい要件としては、傾斜部２１の外装缶軸方向に対する傾斜角度θを５０度以下とするのがよい。傾斜角度θが５０度を越えると、発電体のスムーズな挿入が阻害される結果、挿入時に発電体が損傷されるからである。更に、外装缶本体の肉厚は、缶強度等の面から通常０．３ｍｍ〜０．８ｍｍに設定されるが、外装缶本体の肉厚が０．３ｍｍ〜０．８ｍｍ程度であるときには、好ましくは拡径部の肉厚を０．１５ｍｍ以上とし、拡径部の内径と発電体の外径との大小関係を、下記数１で定義されるクリアランス率が４．５％以上、１４．８％以下となるように設定するのがよい。この条件を充足する外装缶及び発電体であると、発電体をスムーズに外装缶に挿入でき、かつ収納された発電体に対し外装缶側面が適度な構成圧を作用させることができる。つまり、十分かつ適正な収容効率を担保できるので、電池製造における歩留りの向上と同時に電池性能の向上が図れる。
【００２０】
【数１】
0003568354.tif 000003
【００２１】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明の内容を更に具体的に説明する。
（実施例１）
実施例１の密閉型電池は、前記図１、図２と同様な構造をしている。実施例１で使用した外装缶は次のような形状をしている。すなわち、外装缶の外寸は、厚み方向長（Ａ３）６ｍｍ、幅方向長（Ｂ３）３４ｍｍ、高さ方向長（Ｃ）６５ｍｍである。また、外装缶本体部の内寸は、厚み方向長（Ａ１）が４．５ｍｍ、幅方向長（Ｂ２）が３２．５ｍｍ、高さ方向長（Ｃ）が６４ｍｍであり、外装缶本体の肉厚（Ｔ１）は０．７５ｍｍである。他方、開口端部の内寸は、厚み方向長（Ａ２）が５ｍｍ、幅方向長（不図示）が３３ｍｍ、肉厚（Ｔ２）が０．５ｍｍである。そして、開口端部を始端とする肉厚一定の拡径部２０は、肉厚（Ｔ２）が０．５ｍｍで深さ方向の長さが０．７ｍｍであり、これに続く傾斜部２１の深さ方向の長さが５．３ｍｍ（傾斜角度２．７度）としてある。
【００２２】
外装缶１に挿入する発電体５の形状及び構造は、次の通りである。すなわち、発電体５は、アルミニウム箔からなる正極集電体の両面にコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２  ）が保持された正極と、銅箔からなる負極集電体の両面に天然黒鉛が保持された負極とを、ポリエチレン製微多孔膜からなるセパレータを介して渦巻き状に巻回したものである。この渦巻き状の発電体の寸法は、厚み方向（ａ）が４．４ｍｍ、幅方向（ｂ）が３２．４ｍｍ、高さ方向が６０ｍｍである。
【００２３】
電池組み立て方法としては、上記発電体５を外装缶１の本体部に挿入した後、外装缶１内にＬｉＰＦ６  を１ｍｏｌ溶解させたエチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合溶媒（体積比率１：１）からなる電解液を注液する。この後、外装缶１の開口に封口板２等を配置しレーザ溶接して密閉型リチウムイオン二次電池となした。
【００２４】
なお、外装缶の拡径部２０、傾斜部２１はしごき加工法によって成形した。
【００２５】
（比較例１）
傾斜部の傾斜角度θを８０度としたこと以外については、上記実施例１と同様にして比較例１にかかる密閉型電池を作製した。
【００２６】
（比較例２）
拡径部及び傾斜部を有しない外装缶を用いたこと、及び厚み方向長（ａ）４．２ｍｍ、幅方向長（ｂ）３２ｍｍ、高さ方向長６０ｍｍの発電体を用いたこと以外については、実施例１と同様にして比較例２にかかる密閉型電池を作製した。
【００２７】
この比較例２の電池の断面模式図を図４に示す。図４中、１０１が外装缶、１０２が封口板、１０３が外部端子板、１０４がガスケット、１０６が正極集電タブ、１０７が負極集電タブである。また、１０５は、渦巻き状の発電体であり、この発電体１０５は、正負集電体に対する活物質ペーストの塗布量を少なくすることにより、前記実施例１よりも厚み方向長及び幅方向長を小さく形成してある。
【００２８】
（比較例３）
拡径部及び傾斜部を有しない外装缶を用いたこと以外については、実施例１と同様にして比較例３にかかる密閉型電池を作製した。なお、この比較例３は、実施例１と同一サイズの発電体を用いている。したがって、比較例３と上記比較例２とは発電体の寸法のみが異なる。
【００２９】
各電池の評価
上記の各種電池の製造工程において、発電体を外装缶に収納する際に必要な挿入加重を測定した。そして、挿入加重が４．２Ｋｇを越える場合を挿入不良とし、挿入不良率を算出した。この結果を表１に示す。なお、表１は測定数１０００個での結果である。
【００３０】
また、実施例１及び比較例２について、それれぞれ５０個の電池を用意し、各電池を電池電圧が４．１Ｖに達するまで９００ｍＡで充電し、更に電池電圧４．１Ｖを保持したままで充電電流値を徐々に２０ｍＡまで減じる方法で充電した。次いで、５分間休止した後、電池電圧が２．７５Ｖに達するまで９００ｍＡの電流値で放電する方法で、各電池の放電容量を測定した。また、これらの電池の発電体占有率（外装缶容積に占める発電体容積の比率）を算出した。これらの結果を表２に示す。なお、表２は測定数５０個での結果である。
【００３１】
更に、満充電した各種電池をそれぞれ１００個づつ、７０℃・相対湿度９０％の条件で２０日間保存し、電解液漏れの有無を肉眼観察した。その結果を表３に示す。なお、表３は測定数１００個での結果である。
【００３２】
【表１】
0003568354.tif 000004
【００３３】
【表２】
0003568354.tif 000005
【００３４】
【表３】
0003568354.tif 000006
【００３５】
表１において、発電体挿入時の不良率は、実施例１＜比較例１≦比較例２＜＜比較例３であった。表１の結果から明らかになるように、拡径部、傾斜部を設け、かつ傾斜部の深さ方向に対する傾斜角度θを２．７度とした実施例１は、傾斜角度θを８０度とし、他の事項については実施例１と同様にした比較例１、及び拡径部及び傾斜部を設けず、発電体の外径を小さくした比較例２、及び拡径部及び傾斜部を設けず、発電体を実施例１と同じものとした比較例３の何れよりも、外装缶に対する発電体の挿入がスムーズであった。
【００３６】
また、表１、表２、表３における実施例１と比較例２の比較において、拡径部及び傾斜部を設けることにより、より大きなサイズの発電体を外装缶に挿入しても、挿入時不良率及び液漏れ発生率が低減できること、及び挿入率の低下等が放電容量の向上と保存試験結果の向上に繋がることが確認された。
【００３７】
以上の試験結果を踏まえ、更に下記数１で定義されるクリアランス率と挿入不良率の関係、及び傾斜部の傾斜角度θと挿入不良率の関係について詳細に検討した。
【００３８】
【数１】
0003568354.tif 000007
【００３９】
なお、クリアランス率を数１のように規定したのは、発電体の厚み方向に作用する構成圧が電池性能に大きく影響するからである。
【００４０】
ここで、拡径部の内径と発電体とのクリアランスと挿入不良率の関係については、次の方法で調べた。先ず、拡径部２０の深さ方向長を０．７ｍｍとし、この肉厚Ｔ２をそれぞれ０．１０ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．２０ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．３０ｍｍ、０．４０ｍｍ、０．５０ｍｍ、０．６０ｍｍ、０．６５ｍｍで傾斜なしとし、本体部２２の肉厚Ｔ１を０．７５ｍｍ（共通）とし、更に拡径部２０と本体部２２の間の傾斜部２１の傾斜角度θをｔａｎ−１〔（Ｔ１−Ｔ２）／５．３  〕とし、このような拡径部と傾斜部を有する９通りの角形外装缶を作製した。
【００４１】
この外装缶を用い他の条件については実施例１と同様にして９通りの密閉型電池を作製した。そして、外装缶の成形性やレーザ溶接の良否を観察すると共に、上記と同様な方法で作製時における発電体挿入不良率及び液漏れ発生率を調べた。その結果を表４に示す。なお、上記の各外装缶は、外装缶端部から本体部までの長さを６ｍｍ共通としてある。よって、拡径部２０の肉厚Ｔ２が薄いほど、傾斜部２１の傾斜角度θが大きくなっている。
【００４２】
傾斜部の傾斜角度θと挿入不良率の関係については、次の方法で調べた。本体部の肉厚Ｔ１を０．７５ｍｍ、拡径部の肉厚Ｔ２を０．５ｍｍ、拡径部の深さ方向長を０．７ｍｍとし、本体部側の拡径部の端（開口端部から本体側に０．７ｍｍの位置）から本体側に向かって、傾斜角度θがそれぞれ２、１０、２０、３０度、４０度、５０度、６０度、７０度、７５度、８０度、８５度、９０度の傾斜部を設けた１２通りの角形外装缶を用意した。この外装缶を用い他の条件については実施例１と同様にして１２通りの密閉型電池を作製し、前記と同様な方法で発電体挿入不良率を調べた。その結果を表５に示す。
【００４３】
【表４】
0003568354.tif 000008
【００４４】
【表５】
0003568354.tif 000009
【００４５】
表４において、数１で定義されるクリアランス率が４．５％以上であれば、発電体挿入不良率及び液漏れ発生率を０％にできることが判る。しかし、開口端部の肉厚が０．１５ｍｍ未満では、材料強度が弱いため、外装缶の成形時における歩留りが悪くなった。また、開口端部の肉厚が０．１５ｍｍ未満では、厚み不足のため、レーザ溶接における作業性が悪くなると共に、溶接強度が不足することが判った。このことから、開口端部（拡径部）の肉厚は、０．１５ｍｍ以上とし、かつ発電体の厚み方向長との関係におけるクリアランス率を４．５％以上とするのが好ましい。
【００４６】
更に、表５から、傾斜部の立ち上がり角度θが５０度以下であれば、発電体挿入不良が発生しないことが判る。このことから、傾斜部の立ち上がり角度θを５０度以下とするのが好ましい。なお、５０度を越える傾斜角度であると、傾斜がきついため、発電体の挿入が円滑になしえなくなる。
【００４７】
ところで、外装缶の外径を一定とした場合、外装缶の収納効率（発電体の占有体積率）を高めるためには、発電体の外径を限りなく外装缶本体部の内径に近づけることになるが、ここにおいて、本発明の上記条件が意味をもつ。すなわち、発電体の外径を限りなく外装缶本体部の内径に近づけ、かつ発電体の挿入を円滑に行うためには、外装缶端部の内径を拡径するのがよいが、上述のごとく、この場合においても、開口端部の肉厚を０．１５ｍｍ未満とするのは好ましくない。
【００４８】
他方、肉厚を０．１５ｍｍ以上としても、このことのみでは特段の作用効果を生じないが、本発明ではこの要件に加え、クリアランス率が４．５％以上となるように、外装缶端部の内径と発電体の外径との関係を規定した。このクリアランス率４．５％以上と開口端部の肉厚０．１５ｍｍ以上の２つの条件が充足されると、挿入不良率が発生しない範囲においてより大きな外径（体積）の発電体を外装缶に収納でき、これにより適度な構成圧が確保できる。よって、高容量で信頼性の高い密閉型電池が得られる。更に、本発明では、開口端部の肉厚を薄くするので、レーザ溶接における熱損失が減少する。よって、レーザ走行スピードをアップし、またはレーザ出力を下げることが可能になり、その分生産性が向上する。
【００４９】
（その他の事項）
本発明は、密閉型アルカリ電池、密閉型リチウム電池などの各種の密閉型電池に適用でき、正負活物質の種類等は何ら制限されない。
【００５０】
【発明の効果】
以上から明らかなように、本発明によると、簡易な手段でもって密閉型電池の製造作業性が向上し、電池製造における歩留りが向上する。しかも、本発明によると、外装缶に収納する発電本体の体積を大きくできるので、電池容量をも向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明密閉型電池の構造を示す断面模式図である。
【図２】本発明にかかる外装缶の構造を説明するための要部斜視図である。
【図３】本発明にかかる外装缶に発電体を挿入する様を示す説明図である。
【図４】比較例２にかかる密閉型電池の構造を示す断面模式図である。
【符号の説明】
１      外装缶
２      封口板
３      外部端子板
４      ガスケット
５      発電体
６      正極集電タブ
７      負極集電タブ
２０    拡径部
２１    傾斜部
２２    本体部
【図１】
0003568354.tif 000011
【図２】
0003568354.tif 000012
【図３】
0003568354.tif 000013
【図４】
0003568354.tif 000014