(57)【要約】【課題】正極ペレットの位置ずれに伴う封口時のセパレーター切れによる内部短絡を防止し、かつ容量の大きいコイン形電池を提供することを目的とする。【解決手段】正極ケースと負極ケースと、前記正極ケースと前記負極ケースとの間に介在するガスケットにより正極、負極、電解液からなる発電要素が密閉されてなるコイン形電池電池であって、前記正極はペレット状であり、正極ケース対向面の径より負極対向面の径が小さいことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極ケースと、負極ケースと、前記正極ケースと前記負極ケースとの間に介在するガスケットにより、正極、負極、電解液からなる発電要素が密閉されてなるコイン形電池であって、前記正極はペレット状であり、正極ケース対向面の径より負極対向面の径が小さいことを特徴とするコイン形電池。
【請求項２】
前記正極が、凸部を有するハット形状であることを特徴とする請求項１に記載のコイン形電池。
【請求項３】
前記正極の正極ケース対向面の半径と負極対向面の半径の差ａの、正極ケース対向面の半径ｐに対する比（ａ／ｐ）とペレット凸部高さｂのペレット高さｈに対する比（ｂ／ｈ）が０．１〜０．６であることを特徴とする請求項２に記載のコイン形電池。
【請求項４】
前記正極が、負極対向面で面取り形状を有することを特徴とする請求項１に記載のコイン形電池。
【請求項５】
前記正極の面取り部の辺長さｃの、ペレットの正極ケース対向面の半径ｐまたはペレット高さｈのいずれか小さい方に対する比（ｃ／ｐまたはｃ／ｈ）が０．１〜１．０であることを特徴とする請求項４に記載のコイン形電池。
【請求項６】
前記正極が、負極対向面の外縁部が円弧形状を有することを特徴とする請求項１に記載のコイン形電池。
【請求項７】
前記正極ペレットの円弧ｒの、ペレットの正極ケース対向面の半径ｐまたはペレット高さｈのいずれか大きい方に対する比（ｒ／ｐまたはｒ／ｈ）が０．１〜０．８であることを特徴とする請求項６に記載のコイン形電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正極ケース、負極ケース、およびガスケットによりペレット状の正極、負極、電解液からなる発電要素が密閉されてなるコイン形電池であって、コイン形電池の特性の向上、および信頼性の確保に関する。
【背景技術】
【０００２】
非水電解液電池は、各種電子機器の主電源やメモリーバックアップ電源として広く使用されている。とくに近年、携帯電話をはじめとする小型携帯機器の増加に伴い、コイン形電池の需要は年々増加の一途をたどっている。また、機器の小型化・軽量化が進行する一方、メモリー容量は増大する傾向にあり、バックアップ電源であるコイン形電池についても小型でかつ容量が大きいことが求められている。
【０００３】
図５に示されるように、従来の電池の組み立ては、負極４、セパレーター６、正極ペレット１および電解液を正極ケース２内部に充填し、負極ケース３の開口部に対向させた正極ケース２の開口部を正極ケース２と負極ケース３の両者間に絶縁物であるガスケット５を介して内側にかしめて封口することにより行われる。
【０００４】
しかしながら、コイン形電池は、ラインでの電池組立工程において、正極ペレットの配置ずれ、振動による正極ペレットの移動、電解液の注入による正極ペレットの移動等が起こる。そのため、正極ペレット上外縁部が負極ケースの肩部の際に位置したまま封口される場合がある。このとき、正極ペレットと負極とが接近し、その状態で封口されると、正極ペレットが負極ケースの肩部と接触し、封口時の摩擦によって正極ペレットと負極とを介するセパレーターが切れることがある。封口後の電池は、セパレーターが切れた部分で正極ペレットと負極とが接触しているため、電池の内部短絡が生じる。
【０００５】
また、負極にもペレットを用いた場合には、負極ペレットに対する正極ペレットの位置ずれが生じ、負極ケースへの金属リチウムのデンドライドが生じることもあった。
【０００６】
上記のような正極ペレットの位置ずれを防止する手段の一つとして、特許文献１に示すように、ガスケットの内側環状部内周面の正極ペレットと対向する位置に正極ペレットを指示する突部を設ける例が報告されている。特許文献１では、特に負極ペレットに対する正極ペレットの位置ずれ防止効果を狙っており、これにより、金属リチウムのデンドライドを防止できるとしている。
【特許文献１】特開平１１−１１１２４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電池組立時の正極ペレットの、正極ペレットと負極ケースの肩部との間に、ある程度のクリアランスを持たせることが必要であった。しかし、クリアランスを持たせるためには正極ペレットの径を小さくする必要があり、電池の容量に限界があることがこれまで課題とされていた。
【０００８】
特許文献１に示す構造では、正極ペレットの位置ずれを防止することはできるが、電池の容量にはやはり限界がある。
【０００９】
本発明は、前述した問題を鑑みてなされたものであり、コイン形電池において、封口後の電池の内部短絡を防止し、さらに、大容量をも確保することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明における電池は、正極ケースと負極ケースと前記正極ケースと前記負極ケースとの間に介在するガスケットにより、正極、負極、電解液からなる発電要素が密閉されてなるコイン形電池であって、前記正極はペレット状であり、正極ケース対向面の径より負極対向面の径が小さいことを特徴とする。
【００１１】
係る構成によれば、正極ペレットの正極ケース対向面の径より負極ケース対向面の径を小さくすることにより、正極ペレットと負極ケースの肩部の接近を抑制し、封口時にも負極ケースの肩部との接触による摩擦がなく、セパレーター切れを防止することが可能である。
【００１２】
さらに、ペレットの位置ずれを考慮に入れる必要がないため、負極ケースの肩部と正極ペレットとのクリアランスを小さくすることができ、正極ペレットの正極ケース対向面の径を大きくすることが可能であり、より多くの正極を電池内部に充填することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、正極ペレットの正極ケース対向面の径より負極対向面の径を小さくすることで、正極ペレットの位置ずれによる正極ペレット上外縁部と負極ケース肩部との接近がなく、封口時に正極ペレットと負極ケースの肩部との接触による摩擦でセパレーターが切れることがないため、電池の内部短絡を防止することが可能である。
【００１４】
さらに、正極ペレットの正極ケース対向面の径を大きくすることによって、より多くの正極を電池内部に充填できるため、より容量の大きい電池を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
本発明における電池はコイン形電池であり、図１に示されるよう正極端子を兼ねた正極ケース１２、負極端子を兼ねた負極ケース１３、正極ケース１２と負極ケース１３との間に絶縁物として存在するガスケット１５、正極対向面の径より負極対向面の径が小さい本発明の正極ペレット１１ａ、負極１４、セパレーター１６、電解液を有し、電池の組み立てを、負極１４、セパレーター１６、本発明の正極ペレット１１ａおよび電解液を電池ケース内部に充填し、正極ケース１２の開口部を正極ケース１２と負極ケース１３の両者間に絶縁物であるガスケット１５を介して内側にかしめて封口することにより行う。
【００１７】
本発明における電池は、正極ペレットの正極ケース対向面の径より負極対向面の径を小さくしているため、正極ペレットの位置ずれによる、負極ケース肩部との接近を防止し、封口時にも負極ケースの肩部との接触による摩擦によるセパレーター切れが生じない。また充放電サイクルを繰り返すことによってペレットが膨張しても、ペレット上外縁部が負極ケース肩部と接触することがなく、サイクル途中での内部短絡防止にも有用である。
【００１８】
また、正極ペレットの位置ずれによる影響を考える必要がないため、正極ペレットと負極ケース肩部との間にクリアランスを持たせる必要がない。そこで、正極ペレットの正極ケース対向面の径を大きくすることができ、より多くの正極を電池内部に充填することができる。この効果により、同サイズでもより容量の大きい電池を提供することが可能となる。
【００１９】
なお、本発明の正極ペレットは、凸部を有するハット形状、ペレットの負極対向面で面取り形状を有するもの、ペレットの負極対向面で円弧形状を有するもののいずれであっても良い。
【００２０】
凸部を有するハット形状の正極ペレットを電池内部に充填する時には、ペレットの正極ケース対向面の半径と負極対向面の半径との差ａとペレットの正極ケース対向面の半径ｐとの比（ａ／ｐ）およびペレット凸部の高さｂのペレット高さｈに対する比（ｂ／ｈ）のいずれかが０．１未満であると、封口時の圧力によって正極ペレットが変形し、結局は負極ケースの肩部と接触して、摩擦によるセパレーター切れが生じる可能性が高い。また、ペレットの正極ケース対向面の半径と負極対向面の半径との差ａとペレットの正極ケース対向面の半径ｐとの比（ａ／ｐ）が大きすぎると、ペレット凸部が小さくなり、ペレット成型時また電池封口時にも凸部が潰れ易くなる。一方、ペレット凸部の高さｂのペレット高さｈに対する比（ｂ／ｈ）が大きすぎると、凸部を有するハット形状のペレットの成型が困難となる。したがって、凸部を有するハット形状の正極ペレットを使用する場合、ペレットの正極ケース対向面の半径と負極対向面の半径との差ａとペレットの正極ケース対向面の半径ｐとの比およびペレット凸部の高さｂのペレット高さｈに対する比を０．１〜０．６とすることが好ましい。
【００２１】
本発明の正極ペレットがペレットの負極対向面で面取り形状を有し、ペレット正極ケース対向面の半径ｐがペレット高さｈより大きい（ｐ＞ｈ）場合、図２に示す面取り部の辺長さｃのペレット高さｈに対する比（ｃ／ｈ）が小さすぎると、この時も、封口時の圧力によって正極ペレットが変形することによって負極ケースの肩部と接触し、摩擦によるセパレーター切れが生じる可能性が高い。逆にこの比（ｃ／ｈ）が大きすぎると、面取り形状を有するペレットの成型が困難になる。一方、ペレットの正極ケース対向面の半径ｐがペレット高さｈより小さい（ｐ＜ｈ）場合には、面取り部の辺長さｃのペレットの正極ケース対向面の半径ｐに対する比（ｃ／ｐ）が小さすぎると、こちらも同様に封口時の圧力によって正極ペレットが変形し、セパレーター切れが生じる可能性が高い。逆にこの比（ｃ／ｐ）が大きすぎると、ペレットの成型が困難になる。したがって、正極ペレットがペレットの負極対向面で面取り形状を有する場合、面取り部の辺長さｃのペレット高さｈかペレットの正極ケース対向面の半径ｐのいずれか小さい方に対する比（ｃ／ｈまたはｃ／ｐ）は０．１〜１．０とすることが好ましい。
【００２２】
本発明の正極ペレットの外縁部がペレットの負極対向面で円弧形状を有し、ペレットの正極ケース対向面の半径ｐがペレット高さｈより大きい（ｐ＞ｈ）場合には、図３に示す円弧ｒのペレットの正極ケース対向面の半径ｐに対する比（ｒ／ｐ）が小さすぎると、封口時の圧力による正極ペレットの変形により、セパレーター切れが生じる可能性が高い。逆にこの比（ｒ／ｐ）が大きすぎると、正極ペレットの成型が困難となる。一方、ペレットの正極ケース対向面の半径ｐがペレット高さｈより小さい（ｐ＜ｈ）場合には、円弧ｒのペレット高さｈに対する比（ｒ／ｈ）が小さすぎるとこの時も、封口時の圧力によって正極ペレットが変形することによって負極ケースの肩部と接触し、摩擦によるセパレーター切れが生じる可能性が高い。逆にこの比（ｒ／ｈ）が大きすぎると、ペレットの負極対向面で円弧形状を有するペレットの成型が困難になる。したがって、正極ペレットがペレットの負極対向面で円弧形状を有する場合、円弧の半径ｒの、ペレットの正極ケース対向面の半径ｐまたはペレット高さｈのいずれか大きい方に対する比（ｒ／ｐまたはｒ／ｈ）は０．１〜０．８とすることが好ましい。
【実施例】
【００２３】
続いて、本発明のより具体的な実施の形態について説明する。
【００２４】
（実施例１）
本発明の具体的な例として、直径４．８ｍｍ、厚み１．４ｍｍサイズの電池を作製した。この電池は図１に示されるように、正極端子を兼ねた正極ケース１２、負極端子を兼ねた負極ケース１３、正極ケース１２と負極ケース１３との間に絶縁物として存在するポリプロピレンからなるガスケット１５、正極ケース対向面の径より負極対向面の径が小さい本発明の正極ペレット１１ａ、リチウム−アルミニウム合金を活物質とする負極１４、正極と負極との間に絶縁物として存在するポリプロピレン不織布からなるセパレーター１６、電解液を有する。正極ペレット１１ａは活物質であるマンガン酸リチウムの重量に対して、導電剤として炭素粉末を４％、結着剤としてフッ素系樹脂であるテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（固形成分）７％と水とを調練合させた後、加圧成型してペレット状とした。電解液にはプロピレンカーボネート（ＰＣ）とジメトキシエタン（ＤＭＥ）からなる混合溶媒に、電解質として過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ4）を溶解させたものを用いた。
【００２５】
負極１４、セパレーター１６、本発明の正極ペレット１１ａおよび電解液を電池ケース内部に充填し、正極ケース１２の開口部を正極ケース１２と負極ケース１３の両者間に絶縁物であるガスケット１５を介して内側にかしめて封口することにより作製した電池を電池Ａとした。
【００２６】
一方、図５に示されるように、従来の円柱型の形状を有する正極ペレット１を用い、それ以外は電池Aと同じ構成として作製した電池を電池Ｕとした。
【００２７】
なお、本発明の正極ペレット１１ａと、従来の正極ペレット１の正極ケース対向面の径は同一寸法であり、正極ペレット１１ａの負極対向面の径は、正極ケース対向面の径の１．２倍とした。
【００２８】
電池Ａおよび電池Ｕを各々３００個ずつ作製し、封口後の電池の電圧を測定した。内部短絡が生じていた電池の数を表１に示す。
【００２９】
また、封口後に内部短絡が生じていなかった電池Ａおよび電池Ｕを、各々３０個ずつ、３．１Ｖ−７．５ｋΩ−４０ｈ充電、その後４７ｋΩで２．０Ｖまで放電させることを繰り返す充放電サイクル試験を行った。サイクル途中で内部短絡が生じた電池の数を併せて表１に示す。
【００３０】
さらに、電池Ａおよび電池Ｕを、各々１０個ずつ、いったん２Ｖ以下まで放電させた後、３．１Ｖ−７．５ｋΩ−５０ｈで充電し、その後１ＭΩで２．０Ｖまで放電させ、放電容量の測定を行った。放電容量の平均値を併せて表１に示した。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
表１より、正極ケース対向面の径より負極対向面の径が小さい本発明の正極ペレットを用いた場合に、封口後およびサイクル途中の内部短絡を防止し、さらにより大きい放電容量を確保することが可能であることがわかる。
【００３３】
（実施例２）
次いで、図２に示すように、凸部を有するハット形状を有する本発明の正極ペレット１１ｂを用い、それ以外の構成は電池Ａと同じとし、正極ペレット１１ｂの形状を表２に示すように様々に変えて作製した電池を電池Ｂ、電池Ｃ、電池Ｄ、電池Ｅとした。なお、ペレット成型は成型ピンにより上下から合剤を圧縮することにより行うが、成型ピンの上ピンの形状を様々に変えることで、本発明の正極ペレット１１ｂを作製した。
【００３４】
電池Ｂ、電池Ｃ、電池Ｄ、電池Ｅおよび電池Ｕを各々３００個ずつ作製し、封口後の電池の電圧を測定した。その結果、内部短絡が生じていた電池の数を表２に示す。
【００３５】
また、封口後に内部短絡が生じていなかった電池Ｂ、電池Ｃ、電池Ｄ、電池Ｅおよび電池Ｕを、各々３０個ずつ、３．１Ｖ−７．５ｋΩ−４０ｈ充電、その後４７ｋΩで２．０Ｖまで放電させることを繰り返す充放電サイクル試験を行った。サイクル途中で内部短絡が生じた電池の数を併せて表２に示す。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
表１より、電池Ｄ、電池Ｅで内部短絡が全く発生しなかったことから、ａ／ｐが０．１〜０．６かつｂ／ｈが０．１〜０．６で封口時のセパレーター切れを防止する効果があることがわかる。なお、ａ／ｐが０．７以上かつｂ／ｈが０．７以上ではハット形状を有するペレットを成型することができなかった。
【００３８】
以上のことより、凸部を有するハット形状を有する正極ペレットを使用した場合にも、電池の封口後の内部短絡および充放電サイクルによるペレット膨張に伴う内部短絡を防止することが可能であり、正極ペレットの正極ケース対向面の半径と負極対向面の半径の半分との差の正極ケース対向面の半径に対する比（ａ／ｐ）と、ペレット凸部高さのペレット高さに対する比（ｂ／ｈ）は０．１〜０．６であることが好ましい。
【００３９】
（実施例３）
次いで、図３に示されるように、負極対向面で面取り形状を有し、ペレットの正極ペレット対向面の半径がペレット高さより大きい（ｐ＞ｈ）正極ペレット１１ｃを用い、それ以外の構成は電池Ａと同じとして、面取り部の辺長さｃの正極ペレット高さに対する比（ｃ／ｈ）を変化させた正極ペレット１１ｃを使用して作成した電池を電池Ｆ、電池Ｇ、電池Ｈとした。面取り形状部の面と正極ペレットの負極対向面が成す角度は４５度とした。電池Ｆ、電池Ｇ、電池Ｈおよび電池Ｕを各々３００個ずつ作製し、実施例１と同様に、封口後の電池電圧を測定した。表３に内部短絡が生じていた電池の数を示す。
【００４０】
さらに、封口後に内部短絡が生じていなかった電池Ｆ、電池Ｇ、電池Ｈおよび電池Ｕを、各々３０個ずつ、３．１Ｖ−７．５ｋΩ−４０ｈ充電、その後４７ｋΩで２．０Ｖまで放電させることを繰り返す充放電サイクル試験を行った。サイクル途中で内部短絡が生じた電池の数を併せて表３に示す。
【００４１】
【表３】
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【００４２】
表３より、面取り部辺長さのペレット高さに対する比（ｃ／ｈ）が０．１以上の正極ペレットを使用した電池は内部短絡を全く起こしていない。また、ｃ／ｈが１．０を超えると、面取り形状を有する正極ペレットを成型することができなかった。
【００４３】
以上のことより、面取り形状を有する正極ペレットを使用した場合にも、封口時の電池の内部短絡そして充放電サイクルによるペレットの膨張に伴う内部短絡を防止することが可能であり、面取り部辺長さのペレットの高さに対する比（ｃ／ｈ）は０．１〜１．０とすることが好ましい。
【００４４】
（実施例４）
次いで、図４に示されるように、負極対向面で外縁部が円弧形状を有し、ペレットの高さがペレットの正極ケース対向面の半径より大きい（ｈ＞ｐ）正円弧形状を有する正極ペレット１１ｄを用い、それ以外の構成は電池Ａと同じとして、円弧の半径ｒの正極ペレット高さに対する比（ｒ／ｈ）を変化させた正極ペレット１１ｄを使用して作製した電池を電池Ｉ、電池Ｊ、電池Ｋとした。電池Ｉ、電池Ｊ、電池Ｋおよび電池Ｕを各々３００個ずつ作製し、実施例１と同様に、電池電圧を測定した。表４に内部短絡が生じていた電池の数を示す。
【００４５】
さらに、封口後に内部短絡が生じていなかった電池Ｉ、電池Ｊ、電池Ｋおよび電池Ｕを、各々３０個ずつ、３．１Ｖ−７．５ｋΩ−４０ｈ充電、その後４７ｋΩで２．０Ｖまで放電させることを繰り返す充放電サイクル試験を行った。サイクル途中で内部短絡が生じた電池の数を併せて表４に示す。
【００４６】
【表４】
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【００４７】
表４より、円弧の半径のペレット高さに対する比（ｒ／ｈ）が０．１以上の正極ペレットを使用した電池は内部短絡を全く起こしていない。また、ｒ／ｈが０．８を超えると、円弧形状を有する正極ペレットが成型できなかった。
【００４８】
以上のことより、外縁部に円弧形状を有する正極ペレットを使用した場合にも、封口時の電池の内部短絡および充放電サイクルによる正極ペレット膨張に伴う内部短絡を防止することが可能であり、円弧の半径のペレット高さに対する比（ｒ／ｈ）は０．１〜０．８とすることが好ましい。
【００４９】
（実施例５）
図２に示す凸部を有するハット形状を有するペレットを成型した。その時の成型寸法は、ペレットの正極ケース対向面の径を２．４ｍｍ、（ペレットの負極対向面の径を２．１ｍｍ、ペレット凸部高さを０．１ｍｍ、）ペレット高さを０．８４ｍｍとした。このとき、正極ペレットの正極ケース対向面の半径と負極対向面の半径との差の、正極ケース対向面の半径に対する比（ａ／ｐ）は０．１２５、ペレット凸部高さのペレット高さに対する比（ｂ／ｈ）は０．１２とした。この正極ペレットを用いて、それ以外は電池Ａと同じ構成として作製した電池を電池Ｌとした。
【００５０】
また、同様に、図３に示す面取り形状を有する正極ペレットを成型し、その成型寸法はペレットの正極ケース対向面の径を２．４ｍｍ、面取り部辺長さを０．１０ｍｍ、ペレット高さを０．８４ｍｍとした。このとき、面取り部辺長さのペレットの高さに対する比（ｃ／ｈ）は０．１２であった。この面取り形状を有する正極ペレットを用いて、それ以外は電池Ａと同じ構成として作製した電池を電池Ｍとした。
【００５１】
同様に、図４に示す円弧形状を有する正極ペレットを成型し、その成型寸法はペレットの正極ケース対向面の径を２．４ｍｍ、円弧半径を０．１０、ペレット高さを０．８４とした。このとき、円弧の半径のペレット高さに対する比（ｒ／ｈ）は０．１２であった。この正極ペレットを使用した以外は、電池Ａと同じ構成として作製した電池を電池Ｎとした。
【００５２】
電池Ｕは従来の正極ペレットを用いているが、この正極ペレットの外径は２．２ｍｍ、高さは０．８４ｍｍであった。
【００５３】
電池Ｌ、電池Ｍ、電池Ｎおよび電池Ｕを  各々１０個ずつ、いったん２Ｖ以下まで放電させた後、３．１Ｖ−７．５ｋΩ−５０ｈで充電し、その後１ＭΩで２．０Ｖまで放電させ、放電容量の測定を行った。その時の放電容量の平均値を表５に示す。
【００５４】
【表５】
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【００５５】
表５より、本発明の凸部を有するハット形状を有する正極ペレット、面取り形状を有する正極ペレット、円弧形状を有する正極ペレットを用いた場合にも、内部短絡を考慮に入れる必要がなく、ペレットの正極ケース対向面の径を可能な限り大きくすることができ、従来の電池より多くの正極を電池内部に充填することができる。その結果、より大きい放電容量を得ることが可能であることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明のコイン形電池は、組立後の電池の内部短絡を防止し、より大容量を得られることから、電池の信頼性の確保において有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施例に係るコイン形電池の断面模式図
【図２】本発明の一実施例に係るコイン形電池の断面模式図
【図３】本発明の一実施例に係るコイン形電池の断面模式図
【図４】本発明の一実施例に係るコイン形電池の断面模式図
【図５】従来のコイン形電池の断面模式図
【符号の説明】
【００５８】
１  正極ペレット
２  正極ケース
３  負極ケース
４  負極
５  ガスケット
６  セパレーター
１１ａ  本発明の正極ケース対向面の径より負極対向面の径が小さい正極ペレット
１１ｂ  本発明の凸部を有するハット形状を有する正極ペレット
１１ｃ  本発明の面取り形状を有する正極ペレット
１１ｄ  本発明の円弧形状を有する正極ペレット
１２  正極ケース
１３  負極ケース
１４  負極
１５  ガスケット
１６  セパレーター
【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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