(57)【要約】【課題】  一層の小型化、薄型化、高容量化、及びリフローはんだ付け対応のコイン型電気化学は、小型化に伴うかしめ強度の低下や、高容量化やリフローはんだ付け加熱に伴う内圧の上昇により、漏液しやすいという問題があった。【解決手段】  負極缶の折返し長さ、負極缶の折返し面形状、負極缶の側部の傾斜角度、正極缶開口部を湾曲させる角度、及びガスケットの圧縮率を最適にすることにより、強固な封止構造を実現し、高信頼性の小型化・高容量化・リフロー対応のコイン型電気化学セルを実現する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学要素が正極缶と負極缶の内部に収容されたコイン型電気化学セルであって、
前記負極缶は縁部にＵ状に折返した折返し部を有しており前記折返し部の長さが前記負極缶の板厚の２倍から５倍の範囲の長さであり、
前記負極缶の折返し部に覆い被せて前記正極缶の開口部を湾曲させてガスケットを介してかしめることにより封止することを特徴とするコイン型電気化学セル。
【請求項２】
前記折返し部の折返し面には折返し部の幅の３０〜１００％を占める幅の平面を設けてあることを特徴とする請求項１に記載のコイン型電気化学セル。
【請求項３】
前記正極缶の底面から立ち上がる側面の接線と前記正極缶の開口部の湾曲端部の接線がなす角度が１００〜１３０°の範囲にあることを特徴とする請求項1又は２に記載のコイン型電気化学セル。
【請求項４】
前記負極缶の側面と、前記負極缶の底面に対する垂線がなす角度が０〜２５°の範囲にあることを特徴とする請求項３に記載のコイン型電気化学セル。
【請求項５】
前記正極缶の前記開口部と前記負極缶の前記折返し部の端面の間に挟まれる前記ガスケットの圧縮率が３０〜７０％の範囲にあり、
かつ前記折返し部の折返し面に形成された平面と前記正極缶の底面との間に挟まれる前記ガスケットの圧縮率が２０〜５０％の範囲にあり前記開口部と前記折返し部の端部の間に挟まれる前記ガスケットの圧縮率より低くなっていることを特徴とする請求項1から４のいずれか一項に記載のコイン型電気化学セル。
【請求項６】
前記ガスケットの材質は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）、ＰＰ（ポリプロピレン樹脂）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン樹脂）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＥＴ（ポリエステル樹脂）、ＰＥＮ（ポリエーテルニトリル樹脂）、ＰＡ（ポリアミド樹脂）、ＰＩ（ポリイミド樹脂）のいずれかであることを特徴とする請求項５に記載のコイン型電気化学セル。
【請求項７】
前記正極缶と前記負極缶の少なくとも一方に端子が設けられていることを特徴とする請求項1から６のいずれか一項に記載のコイン型電気化学セル。
【請求項８】
負極缶に板厚の２倍から５倍の範囲となるように折返し部を形成する折返し工程と、
前記負極缶の折返し面に前記折返し部の幅の３０〜１００％となるような平面を形成させる平面形成工程とを有するコイン型電気化学セルの製造方法。
【請求項９】
前記平面形成工程が切削加工により平面を形成することを特徴とする請求項８に記載のコイン型電気化学セルの製造方法。
【請求項１０】
前記平面形成工程が塑性加工により平面を形成することを特徴とする請求項８に記載のコイン型電気化学セルの製造方法。
【請求項１１】
負極缶を板厚の２倍から５倍の範囲となるように折返し部を形成する折返し工程と、
前記負極缶の折返し面に前記折返し部の幅の３０〜１００％となるような平面を形成させる平面形成工程と、
正極缶の底面から立ち上がる側面の接線と前記正極缶の開口部の湾曲端部の接線がなす角度が１００〜１３０°となるように前記正極缶と前記負極缶にガスケットを挟みかしめ封止する封止工程とを有するコイン型電気化学セルの製造方法。
【請求項１２】
前記封止工程において前記正極缶の開口部をプレス成形加工により封止することを特徴とする請求項１１に記載のコイン型電気化学セルの製造方法。
【請求項１３】
前記負極缶の側面と底面の垂線が作る角度が０〜２５°の範囲になるように成形する工程を有することを特徴とする請求項１１に記載のコイン型電気化学セルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正極缶、及び負極缶からなる容器に、電極、セパレータ、電解液等の電気化学要素を収容し、負極缶の折返し部に正極缶の開口部を湾曲させて、ガスケットを介してかしめることにより封止された構造のコイン型電気化学セル、例えば、コイン型二次電池やコイン型キャパシタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コイン型二次電池、及びコイン型キャパシタは、例えば携帯電話のような小型精密機器のメモリーバックアップ電源等に使用されており、充放電の繰り返し使用での長期信頼性が求められる。そこで、負極缶の折返し側部に板厚の７５〜１５０％の長さの平坦部を設けることにより、ガスケットとの密着性を得る構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−４８７８０号公報（第２−４項、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
コイン型二次電池、及びコイン型キャパシタを組み込む小型精密機器のさらなる小型化、あるいは回路基板のリフローはんだ付け化に伴って、コイン型二次電池、及びコイン型キャパシタ自体もより一層の小型化、薄型化、高容量化、及びリフローはんだ付け対応のための耐熱性を要求される。一般的に、コイン型二次電池、及びコイン型キャパシタは、電気化学要素を正極缶及び負極缶に収容し、ガスケットを介して正極缶と負極缶とを組み合わせ、負極缶の折返し部に覆い被せて正極缶の開口部を湾曲させてかしめることで封止されるが、小型化に伴うかしめ強度の低下や、高容量化やリフローはんだ付け加熱に伴う内圧の上昇により、漏液しやすいという問題がある。特許文献１に記載の構造でも、折返し部のそれだけの形状限定では十分な密着性を得ることができない。本発明は耐漏液性の改善を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
負極缶の折返し部の寸法、形状、及び正極缶の開口部の湾曲角度範囲を限定し、ガスケットの材質とガスケットの圧縮率を限定した構造にすることにより、正極缶とガスケット、及び負極缶とガスケットの接触圧を高めて封止性を強固にするものである。
【０００５】
本発明のコイン型電気化学セルは、電気化学要素が正極缶と負極缶の内部に収容されたコイン型電気化学セルであって、前記負極缶は縁部にＵ状に折返した折返し部を有しており前記折返し部の長さが前記負極缶の板厚の２倍から５倍の範囲の長さであり、前記負極缶の折返し部に覆い被せて前記正極缶の開口部を湾曲させてガスケットを介してかしめることにより封止する。好ましくは、前記折返し部の折返し面には折返し部の幅の３０〜１００％を占める幅の平面を設ける。
【０００６】
好ましくはコイン型電気化学セルにおいて、前記正極缶の底面から立ち上がる側面の接線と前記正極缶の開口部の湾曲端部の接線がなす角度が１００〜１３０°の範囲に含まれるようにする。
【０００７】
また、OLE_LINK1本発明のコイン型電気化学セルは、前記負極缶の側面と、前記負極缶の底面に対する垂線がなす角度が０〜２５°の範囲にある。OLE_LINK1好ましくは、本発明のコイン型電気化学セルは、前記負極缶の側面と、前記負極缶の底面に対する垂線がなす角度が1５〜２５°の範囲にある。
【０００８】
さらに本発明のコイン型電気化学セルは、前記正極缶の前記開口部と前記負極缶の前記折返し部の端部の間に挟まれる前記ガスケットの圧縮率が３０〜７０％の範囲にあり、かつ前記折返し部の折返し面に形成された平面と前記正極缶の底面との間に挟まれる前記ガスケットの圧縮率が２０〜５０％の範囲にあり前記開口部と前記折返し部の端部の間に挟まれる前記ガスケットの圧縮率より低くなっている。
【０００９】
好ましくは本発明に用いられるガスケットの材質は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）、ＰＰ（ポリプロピレン樹脂）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン樹脂）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＥＴ（ポリエステル樹脂）、ＰＥＮ（ポリエーテルニトリル樹脂）、ＰＡ（ポリアミド樹脂）、ＰＩ（ポリイミド樹脂）のいずれかである。
【００１０】
また本発明のコイン型電気化学セルは、前記正極缶と前記負極缶の少なくとも一方に端子が設けられている。
【００１１】
本発明のコイン型電気化学セルの製造方法は、負極缶に板厚の２倍から５倍の範囲となるように折返し部を形成する折返し工程と、前記負極缶の折返し面に前記折返し部の幅の３０〜１００％となるような平面を形成させる平面形成工程とからなる。前記平面形成工程において切削加工により平面が形成される。または、前記平面形成工程において塑性加工により平面が形成される。
【００１２】
また、本発明のコイン型電気化学セルの製造方法は、負極缶を板厚の２倍から５倍の範囲となるように折返し部を形成する折返し工程と、前記負極缶の折返し面に前記折返し部の幅の３０〜１００％となるような平面を形成させる平面形成工程と、正極缶の底面から立ち上がる側面の接線と前記正極缶の開口部の湾曲端部の接線がなす角度が１００〜１３０°となるように前記正極缶と前記負極缶にガスケットを挟みかしめ封止する封止工程とからなる。好ましくは、前記封止工程において前記正極缶の開口部をプレス成形加工により封止がなされる。また、本発明の電気化学セルの製造方法は、前記負極缶の側面と底面の垂線が作る角度が０〜２５°の範囲になるように成形する工程を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のコイン型電気化学セルは、小型、薄型でありながら耐漏液性に優れているために、それを搭載する精密機器のさらなる小型化、薄型化、及びリフローはんだ付けによる回路基板への組み付けを可能にし、漏液による特性の劣化や回路基板の損傷がないため、長期信頼性も高いという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明のコイン型電気化学セルは、次のように構成されている。本発明のコイン型電気化学セルの断面図を図１に示す。図示するように、正極ペレット４とセパレータ６と負極ペレット５と電解液からなる電気化学要素が、正極缶１、及び負極缶２に収容されている。セパレータ６は、正極ペレット４と負極ペレット５が接触することを防いでいる。負極缶の縁部には、収容物を臨む面の反対側にＵ状に折返した折返し部７が設けられている。負極缶の折返し部７に覆い被さるように、ガスケット３を介して正極缶の開口部８を湾曲させてかしめて封止されている。負極缶の折返し面から折返し端面までの折返し長さｌと負極缶の板厚ｔの間には最適となる関係の範囲があり、折返し長さｌを板厚ｔの２〜５倍の範囲の長さにすることにより、正極缶の開口部を湾曲させてかしめた際に生じる応力を、負極缶の側部を屈曲させることなしに、正極缶とガスケットの接触面、及び、負極缶とガスケットの接触面にバランス良く伝えることができる。また、負極缶の折返し面に、折返し部の幅ｗの３０〜１００％を占める幅ｃの平面を設けることにより、かしめた際に、負極缶の折返し面がガスケットの溝の底面に突き刺さって作用する応力が低下してしまうことを防ぐことができる。該平面は、折返し面に塑性加工を施す、あるいは研削加工を施すなどにより設けることができる。
【００１５】
また、湾曲させる角度には最適範囲があり、正極缶の底面９のコーナー部から立ち上がる正極缶の側面の接線と、正極缶の開口部の湾曲線端部の接線が作る角度αが１００〜１３０°の範囲になるように、正極缶の開口部を湾曲させてかしめることにより、好ましい結果が得られる。それにより、応力は正極缶の側面に垂直な方向よりも、正極缶の底面に垂直な方向により強く作用するので、正極缶の底面とガスケットとの接触圧、及び負極缶の折返し端面とガスケットとの接触圧がより一層高くなると同時に、負極缶の折返し端面のコーナー部に垂直な方向に対するガスケットの接触圧が弱くなるので、折返し端面のコーナー部のナイフエッジ作用よるガスケット切れを防止できる。角度αが１３０°よりも大きいと、この効果は小さく、角度αが１００°未満になるまで正極缶の開口部を深く湾曲させると、開口部端面が波打ったり、ガスケットに亀裂が入る等の不具合を生じる。
【００１６】
かしめる方法は、正極缶の開口部を成形加工することにより行う。例えば、封止型を用いてエアプレスにより正極缶の開口部を成形加工してかしめる方法がある。
【００１７】
さらに、負極缶の側部の収容物を臨む面と、負極缶の底面１０の垂線が作る角度βの範囲を０〜２５°、さらに好ましくは１５〜２５°の範囲にすることにより、正極缶の開口部を湾曲させてかしめた際に生じる応力を、正極缶の底面に垂直に作用する応力と、正極缶の側面に垂直に作用する応力とにロスすることなく分離させ、正極缶の底面とガスケットとの接触圧、正極缶の側面とガスケットとの接触圧を高くして、それぞれの接触面に必要な密着性をバランス良く確保することができる。角度βが２５°より大きいと、それぞれの接触面に必要な密着性のバランスがくずれたり、負極缶が異常変形する等の不具合を生じる。さらに、負極缶の折返し面と、正極缶の底面との間に挟まれるガスケットの圧縮後の厚さａの圧縮率を２０〜５０％の範囲にし、湾曲した正極缶の開口部内面と、負極缶の折返し端面のコーナー部との間に挟まれるガスケットの圧縮後の厚さｂの圧縮率を３０〜７０％の範囲にし、かつガスケットの厚さｂの部分より、厚さaの部分の方が圧縮率を低くすることにより、ガスケットの損傷を防ぎながら、缶とガスケットの接触面に必要な密着性を確保している。ここで、ガスケットの材質には、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）、ＰＰ（ポリプロピレン樹脂）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン樹脂）、ＬＣＰ（液晶ポリマー樹脂）、ＰＥＴ（ポリエステル樹脂）、ＰＥＮ（ポリエーテルニトリル樹脂）、ＰＡ（ポリアミド樹脂）、ＰＩ（ポリイミド樹脂）から選択できる。これらの樹脂は成形性、強度、耐薬品性等に優れているからである。このコイン型電気化学セルを回路基板にリフローはんだ付けする場合は、はんだを付けるための端子が正極缶、負極缶の両方、またはいずれか一方に設けられる。
【実施例１】
【００１８】
ステンレス製の外径４ｍｍの正極缶１、及び負極缶２に、重量％でリチウムマンガン酸化物とカーボングラファイトの混合物９８％、結着剤２％からなる合剤を直径２．５ｍｍ、厚さ１ｍｍに成形した正極ペレット４、重量％で酸化ケイ素とカーボングラファイトの混合物９８％、結着剤２％からなる合剤を直径２ｍｍ、厚さ０．５ｍｍに成形したペレットにリチウムを貼り付けた負極ペレット５、ガラス繊維製のセパレータ６、ＰＰ製のガスケット３、及び有機電解液を収容した。この時の負極缶は、板厚が０．１２ｍｍであり、折返し部が設けてあり、負極缶の折返し長さｌと負極缶の板厚ｔの比ｌ／ｔ、折返し面の平面の幅ｃが折返し部の幅ｗに占める％（ｃ／ｗ×１００）、及び、負極缶の側部の傾斜角度βを種々変えたものを用いた。封止型を用いた成形プレスにより正極缶の開口部の湾曲角度αを１００°から１３５°まで変えて封止を行い、二次電池を組み立てた。同一条件で組み立てたものを各２５個ずつ所定期間エージングし、その後−１０〜＋６０℃の熱衝撃サイクル試験を３０日間実施して、漏液の発生の有無を調べた。以下の表１に、各条件で組み立てた二次電池２５個当たりの漏液発生個数を示す。
【００１９】
【表１】
2004327427.tif 000003
ここで、条件Ａ〜Ｆが負極缶に関係する各種条件であり、条件１〜３が正極缶開口部を湾曲させたときの角度である。Ａ２、Ａ３、Ｂ２、Ｂ３の条件の組み合わせの時に漏液の発生は０であった。また、その条件で組み立てた二次電池を切断して断面を確認したところ、負極缶の折返し面と、正極缶の底面とで挟まれるガスケットの圧縮後の厚さａの圧縮率は２０〜５０％の範囲にあり、湾曲した正極缶の開口部の内面と、負極缶の折返し端面のコーナー部との間に挟まれるガスケットの圧縮後の厚さｂの圧縮率は３０〜７０％の範囲にあった。
【実施例２】
【００２０】
ステンレス製の外径４ｍｍの正極缶１、及び負極缶２に、重量％でモリブデン酸化物とカーボングラファイトの混合物９５％、結着剤５％からなる合剤を直径２ｍｍ、厚さ１ｍｍに成形したペレットの電極４、重量％で酸化ケイ素とカーボングラファイトの混合物９０％、結着剤１０％からなる合剤を直径２ｍｍ、厚さ０．５ｍｍに成形したペレットにリチウムを貼り付けた電極５、ガラス繊維製セパレータ６、ＰＰＳ製ガスケット３、及び有機電解液を収容した。実施例１と同じ条件で封止して組み立てたリフローはんだ付け用二次電池各２５個を所定期間エージングし、その後２３０℃×５分の加熱を3回施して漏液の発生の有無を調べた。以下の表２に、各条件で組み立てたリフローはんだ付け用二次電池２５個当たりの漏液の発生個数を示す。
【００２１】
【表２】
2004327427.tif 000004
表２から解るように、Ａ２，Ａ３，Ｂ２，Ｂ３の条件の組み合わせの時に漏液の発生は０であった。また、その条件で組み立てたリフローはんだ付け用二次電池の断面を確認したところ、負極缶の折返し面と、正極缶の底面とで挟まれるガスケットの圧縮後の厚さａの圧縮率は２０〜５０％の範囲にあり、湾曲した正極缶の開口部の内面と、負極缶の折返し端面のコーナー部との間に挟まれるガスケットの圧縮後の厚さｂの圧縮率は３０〜７０％の範囲にあった。なお、リフローはんだ付け用キャパシタにおいても実験を行い、同様の結果を得た。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のコイン型電気化学セルの構成を示す部分断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  正極缶
２  負極缶
３  ガスケット
４  正極ペレット
５  負極ペレット
６  セパレータ
７  折返し部
８  開口部
９  正極缶底面
１０  負極缶底面
【図１】
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