(57)【要約】【課題】外部から衝撃を受けた場合でも電池の破裂や発火が抑制され、さらに電極体の電池外部への突出が防止された密閉電池を提供する。【解決手段】本発明は、正極極板及び負極極板がセパレータを介して巻回された電極体の巻芯部に挿入されるセンターピンが、アニール処理された金属からなることを特徴としており、そのような金属としてアルミニウム、鉄、ニッケル、チタン、ステンレス鋼及び炭素鋼のいずれか１つを例示することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アニール処理された金属からなる密閉電池用センターピン。
【請求項２】
前記金属が、アルミニウム、鉄、ニッケル、チタン、ステンレス鋼及び炭素鋼のいずれか１つである請求項１に記載の密閉電池用センターピン。
【請求項３】
正極極板及び負極極板がセパレータを介して巻回された電極体と、前記電極体を収容する外装ケースとを、備える密閉電池であって、
前記電極体の巻芯部に請求項１又は２に記載のセンターピンが挿入されている密閉電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、密閉電池用センターピン及びセンターピンを含む密閉電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、スマートフォンを含む携帯電話機、携帯型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、携帯型ゲーム機等の移動・携帯型電子機器が数多く登場している。これらの機器の高機能化、小型化及び軽量化の要望から、それらの駆動電源として非水電解質二次電池やニッケル水素電池などの密閉電池が広く利用されている。
【０００３】
密閉電池の一例として、図１に円筒形密閉電池の断面斜視図を示す。この円筒形密閉電池１０は、正極１１及び負極１２がセパレータ１３を介して巻回された電極体１４を、電池外装ケース１７の内部に収容している。電池外装ケース１７の開口部が、絶縁ガスケット２１を介して封口体１９によって封止されることで、電池内部が密閉されている。この電極体１４には巻芯部１４ａが形成されており、巻芯部１４ａにはセンターピン２０が挿入されている。
【０００４】
密閉電池の巻芯部にセンターピンを挿入する目的は、密閉電池の安全性を向上させることにある。センターピンが密閉電池の安全性を向上させる理由として、次の２つが考えられている。１つ目の理由は、特許文献１及び２に記載されているように、巻芯部に挿入されたセパレータが、巻芯部近傍での電極体の短絡を防止することができる点にある。つまり、充放電の繰り返しにより極板が膨張して、巻芯部近傍の電極体が巻芯部側に変形しようとしても、巻芯部の空洞をセンターピンが埋めているため、電極体の変形が抑えられることになる。２つ目の理由は、巻芯部に挿入されたセンターピンが電池内部のガス排出経路として作用する点にある。つまり、密閉電池が誤って高温環境下に置かれるなどした場合であっても、溶融したセパレータで巻芯部の空洞が閉塞されるのをセンターピンが防止することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−３３２４８１号公報
【特許文献２】特開２００３−９２１４８号公報
【特許文献３】特開２００３−２２９１７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
密閉電池に、その形状が変形するほどの大きな力が外部から加えられた場合、セパレータの一部が破断して、正負極が直接短絡することがある。密閉電池の巻芯部にセンターピンが挿入されている場合、前述のような短絡の他、センターピンが変形又は破損して、セパレータや極板を突き破り、センターピンを介して正負極が短絡することもある。正負極が直接短絡する場合に比べて、センターピンを介して正負極が短絡した場合、密閉電池の内部が局所的により高温になりやすい傾向がある。このような課題を解決するために、特許文献２及び３には、密閉電池に大きな力が外部から加えられた場合であっても、センターピンがセパレータや極板を突き破ることを防止する技術が開示されている。
【０００７】
確かに、特許文献２及び３に開示された技術によれば、センターピンを介した短絡は防止される。しかし、セパレータの一部が破断して、正負極が直接短絡する可能性は残されている。その場合には、電池の温度は比較的上昇しにくく、破裂や発火には至らないこと
が多い。それでも、通常の使用条件に比べて極めて過酷な条件で密閉電池の安全性に関する試験を行ったところ、電池の破裂又は発火や、封口体部から電池外部への電極体の突出が見られた。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、過酷な条件下で外部から衝撃が加えられた場合であっても、その破裂及び発火が抑制され、電池外部への電極体の突出が防止された密閉電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、密閉電池用センターピンに関し、前記センターピンがアニール処理された金属からなることを特徴としている。
【００１０】
前記金属としては、アルミニウム、鉄、ニッケル、チタン、ステンレス鋼及び炭素鋼のいずれかを例示することができる。中でも、耐食性の観点からニッケル、ステンレス鋼及び炭素鋼のいずれかを使用することがより好ましい。なお、鉄を用いる場合は耐食性を向上させるために、その表面をニッケル層で被覆することが好ましい。
【００１１】
さらに本発明は、正極極板及び負極極板がセパレータを介して巻回された電極体と、前記電極体を収納する外装ケースとを、備える密閉電池であって、前記電極体の巻芯部にアニール処理された金属からなるセンターピンが挿入されている密閉電池に関する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、密閉電池の外部から大きな力が加えられて短絡が発生した場合であっても、電池の破裂及び発火が抑制され、電池外部への電極体の突出が防止される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、一般的な円筒形密閉電池の断面斜視図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態のセンターピンの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態を説明するが、本発明は下記の実施形態によって何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
【００１５】
本発明にかかるセンターピンの断面形状に制限はないが、円形又はＣ字形が好ましい。Ｃ字形のセンターピンは、金属板を円筒状に加工成形することで作製することができ、加工容易性及び製造コストの観点から好ましい。Ｃ字形のセンターピンは、その側面に形成されるスリット部を、図２のようにセンターピンの内方に折り曲げ加工することがより好ましい。
【００１６】
本発明にかかるセンターピンに使用される金属としては、アルミニウム、鉄、ニッケル、チタン、ステンレス鋼及び炭素鋼が例示される。これらの金属のアニール処理は、金属材料をセンターピン形状に加工する前後のいずれに行ってもよいが、センターピン形状に加工した後にアニール処理を行うことが好ましい。ステンレス鋼についてのアニール条件の一実施形態を例示すると、加熱温度が７５０〜８５０℃、加熱時間が２５０〜３５０分間、加熱後のアニール炉の冷却速度が１０〜４０℃／ｈであることが好ましい。
【００１７】
本発明にかかるセンターピンは、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池のような水溶液系の密閉電池や、非水電解質二次電池のような非水系の密閉電池のいずれにも使用することができる。センターピンは、電極体の巻芯部に挿入されるため、円筒形の密閉電
池に使用されることが好ましい。
【００１８】
以下、本発明の一実施形態である非水電解質二次電池の実験例を用いて、本発明を実施するための形態をより詳細に説明する。なお、実験例にかかる非水電解質二次電池の基本的な構成は、図１に記載された一般的な円筒形密閉電池１０と共通しているため、実験例にかかる非水電解質二次電池の構成については図１に準じて説明する。
【００１９】
（実験例１）
（センターピンの作製）
センターピン２０は、厚み０．１５ｍｍのステンレス鋼板を図２に示すような形状に加工成形した後、アニール処理して作製した。より詳細に説明すると、センターピン２０のスリット部２０ａの端面はセンターピン２０の内周側に折り曲げられ、センターピン２０の長さ方向の端部にはテーパー部２０ｂが形成されている。テーパー部２０ｂを形成することで、センターピン２０を電極体１４の巻芯部１４ａへ容易に挿入することができるようになる。センターピン２０のアニール処理は次のように行った。まず、センターピン２０をアニール炉内に配置し、アニール炉を室温（２５℃）から８００℃まで９０分かけて昇温させ、当該温度で３００分間保持した後、アニール炉を１０℃／ｈの速度で冷却させた。
【００２０】
（正極極板の作製）
正極活物質としてのコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）が９４質量部、導電剤としてのアセチレンブラックが３質量部、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンが３質量部となるように混合し、この混合物を分散媒としてのＮ−メチルピロリドンの中に均一に分散するように混錬して、正極合剤スラリーを作製した。この正極合剤スラリーを厚みが１５μｍのアルミニウム製の集電体の両面にドクターブレード法により塗布して、正極集電体の両面に正極合剤層を形成した。さらに正極合剤層を乾燥させた後、圧延ローラーを用いて正極合剤層を圧延し、所定サイズに切断して、正極極板１１を作製した。
【００２１】
（負極極板の作製）
負極活物質としての天然黒鉛が９８質量部、結着剤としてのスチレンブタジエンゴムが１質量部、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロースが１質量部となるように混合し、この混合物を分散媒としての水の中に均一に分散するように混錬して、負極合剤スラリーを作製した。この負極合剤スラリーを厚みが１２μｍの銅製の集電体の両面にドクターブレード法により塗布して、負極集電体の両面に負極合剤層を形成した。さらに負極合剤層を乾燥させた後、圧延ローラーを用いて負極合剤層を圧延し、所定サイズに切断して、負極極板１２を作製した。
【００２２】
（電極体の作製）
上述のようにして作製した正極極板１１及び負極極板１２のそれぞれに正極タブ１１ａ及び負極タブ１２ｂを接合した。そして、正極極板１１及び負極極板１２をポリエチレン製微多孔膜からなるセパレータ１３を介して巻回して、最外周を粘着テープで固定して渦巻状の電極体１４を作製した。得られた電極体の巻芯部１４ａの直径は４ｍｍである。
【００２３】
（非水電解質の調製）
エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）を体積比で３０：７０（２５℃、１気圧）で混合して、非水電解質に用いる非水溶媒を調製した。この非水溶媒に、電解質塩としてのヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１．０ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解させて、非水電解質を調製した。
【００２４】
（非水電解質二次電池の作製）
上記のようにして作製した電極体１４の下部に絶縁板１６を配置して、電極体１４を円筒形の外装ケース１７に挿入した。そして、電極体１４の巻芯部１４ａにセンターピン２０を挿入し、電極体１４の上部に絶縁板１５を配置した。さらに、外装ケース１７に上記の非水電解質を注液した後、円筒形の外装ケース１７の開口部を絶縁ガスケット２１を介して封口体１９で封止して、実験例１にかかる非水電解質二次電池を作製した。この非水電解質二次電池のサイズは、直径が１８ｍｍ、高さが６５ｍｍで、その設計容量は２０５０ｍＡｈである。
【００２５】
（実験例２〜６）
実験例１で用いたセンターピン２０に代えて、アニール炉の冷却速度を２０℃／ｈ、３０℃／ｈ、４０℃／ｈ及び５０℃／ｈとしたそれぞれのセンターピン２０を用いて、それぞれ実験例２、３、４及び５にかかる非水電解質二次電池を作製した。また、実験例１で用いたセンターピン２０に代えて、アニール処理を行わなかったセンターピン２０を用いた実験例６にかかる非水電解質二次電池を作製した。
【００２６】
（衝突試験）
上記のようにして得られた実験例１〜６にかかる非水電解質二次電池の各３０セルについて衝突試験を行った。衝突試験は次のように行った。まず、平面上に横向きに置かれた各電池の中央部上に直径１５．８ｍｍの金属製の丸棒を電池の高さ方向と垂直に交差するように配置した。次いで、９．１ｋｇの重りを６１ｃｍの高さらから丸棒上に落下させた。この衝突試験は、６０℃の環境下で行った。試験に用いた電池は設計上の充電終止電圧は４．２Ｖであるが、過充電状態となる４．４Ｖまで充電したものを用いて衝突試験を行った。このときの充電は、まず１Ｉｔ（＝２０５０ｍＡ）の定電流で電池電圧が４．４Ｖになるまで行い、その後４．４Ｖの定電圧で電流値が１／５０Ｉｔ（＝４１ｍＡ）となるまで行った。この衝突試験の終了後６時間以内に電池に破裂又は発火がなければ、その電池に破裂又は発火が見られなかったものと判定した。また、丸棒が配置されていた電池の中央部分には凹みが発生していたため、衝突試験前後での電池の凹み量も測定した。実験例１〜６にかかる衝突試験の結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
表１に示された結果から、センターピンのアニール処理をしていない実験例６に比べて、センターピンのアニール処理を行った実験例１〜５は、衝突試験時の破裂又は発火がみられた電池の個数が減少していることがわかる。特に実験例１〜４については、破裂及び発火のいずれも発生していない。今回の衝突試験が過充電状態の電池を用いて、６０℃という過酷な環境下で行われたことを考えると、本発明の安全性を向上させる効果は極めて大きいといえる。また、衝突試験時の電池の凹み量が大きいほど、電池の安全性が向上していることがわかる。このことから、アニール処理はセンターピンがより軟化しやすい条件で行われることが好ましいと考えられる。そのような条件としては、所定温度で加熱した後のアニール炉の温度を１０〜４０℃／ｈの速度で冷却していく条件が好ましい。
【００２９】
実験例５は、破裂又は発火が５セル発生しているものの、いずれも電極体は電池外部に突出することがなかった。一方、センターピンのアニール処理を行っていない実験例６は破裂又は発火が発生した９セルのうち、５セルの電極体が電池外部に突出していた。実験
例５に電極体の突出が見られなかったのは、変形したセンターピンが電極体の電池外部への突出を阻害するように作用していたものと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
以上のとおり、本発明によれば密閉電池が過酷な条件下で外部から衝撃が加えられた場合であっても、その破裂や発火が抑制されていることがわかる。また、破裂や発火が発生が発生した場合であっても、電極体の電池外部への突出が防止されていることがわかる。これらのことから、本発明の産業上の利用可能性は大きい。
【符号の説明】
【００３１】
１０  円筒形密閉電池
１１  正極極板
１１ａ  正極タブ
１２  負極極板
１２ａ  負極タブ
１３  セパレータ
１４  電極体
１４ａ  巻芯部
１５、１６  絶縁板
１７  外装ケース
１８  安全弁
１９  封口体
２０  センターピン
２０ａ  スリット部
２０ｂ  テーパー部
２１  絶縁ガスケット
【図１】
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【図２】
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