(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉型円筒電池用安全弁であって、
曲面凸状膨出部と、その周囲を取り囲む平面状鍔部とを有する円盤状金属板からなり、
前記曲面凸状膨出部の中腹の外側には円周状の溝部を有し、
前記溝部の底部が薄肉部であって、
前記曲面凸状膨出部における前記溝部よりも鍔部側の部分と、前記溝部よりも膨出頂部側の部分とは互いに異なる曲率半径を有する略球面を成しており、
前記溝部よりも鍔部側の部分の曲率半径が、前記溝部よりも膨出頂部側の部分の曲率半径よりも小さい密閉型円筒電池用安全弁。
【請求項２】
前記溝部の断面形状がＶ字状であり、前記溝部の二つの側壁面が９０°以上の角度を成している請求項１に記載の密閉型円筒電池用安全弁。
【請求項３】
前記薄肉部の金属板の硬度が、前記鍔部における金属板の硬度の１００％以上１５０％以下である請求項１に記載の密閉型円筒電池用安全弁。
【請求項４】
曲面凸状膨出部と、その周囲を取り囲む平面状鍔部とを有する円盤状金属板からなり、
前記曲面凸状膨出部の中腹の外側には円周状の溝部を有し、
前記溝部の底部が薄肉部であって、
前記曲面凸状膨出部における前記溝部よりも鍔部側の部分と、前記溝部よりも膨出頂部側の部分とは互いに異なる曲率半径を有する略球面を成しており、
前記溝部よりも鍔部側の部分の曲率半径が、前記溝部よりも膨出頂部側の部分の曲率半径よりも小さい密閉型円筒電池用安全弁の製造方法であって、
金属板中央部に曲面凸状膨出部を成型する工程と、
前記曲面凸状膨出部の中腹の外側に円周状の溝部を設ける工程と、
前記曲面凸状膨出部における前記溝部よりも鍔部側の部分と、前記溝部よりも膨出頂部側の部分とは互いに異なる曲率半径を有する略球面を成し、前記溝部よりも鍔部側の部分の曲率半径が、前記溝部よりも膨出頂部側の部分の曲率半径よりも小さくなるように成型する工程とを含む密閉型円筒電池用安全弁の製造方法。
【請求項５】
前記溝部を設ける工程が、
前記曲面凸状膨出部の中腹をダイとポンチで挟みつけて押圧する工程であり、
前記ダイは、開口部が円形のくり抜き部を有し、前記開口部近傍においてダイ底面とくり抜き部内壁面とが、所定の角度を有し、
前記ポンチは、前記曲面凸状膨出部の中腹を介して前記ダイに当接する端部近傍の横断面が、前記ダイの開口部直径よりも大きな直径を有する円形であり、前記曲面凸状膨出部の中腹を介して前記ダイに当接する部分に曲面を有する請求項４に記載の密閉型円筒電池用安全弁の製造方法。
【請求項６】
前記ダイの所定の角度が９０°以上である請求項５に記載の密閉型円筒電池用安全弁の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、安全弁機構を備えた密閉型円筒電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
リチウム金属は水と非常に反応しやすいため、負極活物質をリチウム金属とするリチウム電池では水分の侵入を防ぐために密閉型構造をとる必要がある。その封止方法は乾電池に見られるように樹脂ガスケットをケース端部でかしめるクリンプ封口や、塩化チオニル電池等に見られるケースと封口蓋とをレーザー溶接するレーザー封口などの構造がある。
【０００３】
この種のリチウム電池の中でも特に正負極をスパイラル状に捲回したものは大きな充放電電流が得られる半面、内部短絡や強制放電等の異常時には急激に内圧が上昇し、危険な状態となる可能性があり、電池を使用する機器の汚損や故障を招き、ユーザが安全・快適に機器を使用するにあたっての障害となる。
【０００４】
このため、電池を安全に使用するためには安全弁による防爆機構を備えて、異常時においても電池の内圧を安全に低減する必要があり、この種の安全弁の作動圧力としては、約１４０〜３５０Ｎ／ｃｍ2の範囲のものが通常用いられている。
【０００５】
これらの安全弁機構については、電池ケース自体が防爆機構を備えるものや、封口板に内蔵したものなど、さまざまな形態のものが提案されており、特許文献１には電池のケース部に防爆機構を持たせたものが示されており、ＳＵＳの薄板をドーム形状に加工し、さらにそのドームの内側に相当する部分から適当な径の刻み線を加工し、最後に溶体化熱処理を行い安全弁を作製し、これをケースに溶接することで防爆機構とするものがある。
【特許文献１】特開平４−２４２０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながらこの方法において作製した安全弁では有効な作動圧力を有する安全弁が作製できるものの、薄板に圧縮応力を加えることで刻み線を加工するため、金属薄板自体に大きな加工硬化が加わることになる。このため、これらの安全弁を大量に生産した場合にバラツキを抑えて適正な作動圧力を得るためには、加工簿の金属薄膜に対する溶体化熱処理が不可欠となっており、特許文献１においても溶体化熱処理なしでは低く安定した作動圧力が得られないと明記されている。
【０００７】
さらに、上記溶体化熱処理するためには、プレス加工終了時に熱処理炉を通さなければならないため、連続生産が難しく工程上大きなロスがあり、量産性の低下を招くことになる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために本発明は、密閉型円筒電池用安全弁であって、曲面凸状膨出部と、その周囲を取り囲む平面状鍔部とを有する円盤状金属板からなり、前記曲面凸状膨出部の中腹の外側には円周状の溝部を有し、前記溝部の底部が薄肉部であって、前記曲面凸状膨出部における前記溝部よりも鍔部側の部分と、前記溝部よりも膨出頂部側の部分とは互いに異なる曲率半径を有する略球面を成しており、前記溝部よりも鍔部側の部分の曲率半径が、前記溝部よりも膨出頂部側の部分の曲率半径よりも小さいことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の安全弁は、刻み部における金属薄板への加工硬化を抑制して薄肉加工することが可能となり、信頼性が高く、安定した作動圧力を得られるという効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係る密閉型円筒電池用安全弁は、曲面凸状膨出部と、その周囲を取り囲む平面状鍔部とを有する円盤状金属板からなり、前記曲面凸状膨出部の中腹の外側には円周状の溝部を有し、前記溝部の底部が薄肉部であって、前記曲面凸状膨出部における前記溝部よりも鍔部側の部分と、前記溝部よりも膨出頂部側の部分とは互いに異なる曲率半径を有する略球面を成しており、前記溝部よりも鍔部側の部分の曲率半径が、前記溝部よりも膨出頂部側の部分の曲率半径よりも小さい密閉型円筒電池用安全弁である。
【００１１】
また、前記溝部の断面形状がＶ字状であり、前記溝部の二つの側壁面が９０°以上の角度を成し、さらに、前記薄肉部の金属板の硬度が、前記鍔部における金属板の硬度の１００％以上１５０％以下である密閉型円筒電池用安全弁であり、より安定した作動圧力を得ることができる。
【００１２】
また、本発明に係る密閉型円筒電池用安全弁の製造方法は、曲面凸状膨出部と、その周囲を取り囲む平面状鍔部とを有する円盤状金属板からなり、前記曲面凸状膨出部の中腹の外側には円周状の溝部を有し、前記溝部の底部が薄肉部であって、前記曲面凸状膨出部における前記溝部よりも鍔部側の部分と、前記溝部よりも膨出頂部側の部分とは互いに異なる曲率半径を有する略球面を成しており、前記溝部よりも鍔部側の部分の曲率半径が、前記溝部よりも膨出頂部側の部分の曲率半径よりも小さい密閉型円筒電池用安全弁の製造方法であって、金属板中央部に曲面凸状膨出部を成型する工程と、前記曲面凸状膨出部の中腹の外側に円周状の溝部を設ける工程と、前記曲面凸状膨出部における前記溝部よりも鍔部側の部分と、前記溝部よりも膨出頂部側の部分とは互いに異なる曲率半径を有する略球面を成し、前記溝部よりも鍔部側の部分の曲率半径が、前記溝部よりも膨出頂部側の部分の曲率半径よりも小さくなるように成型する工程とを含むものである。
【００１３】
さらには、前記溝部を設ける工程が、前記曲面凸状膨出部の中腹をダイとポンチで挟みつけて押圧する工程であり、前記ダイは、開口部が円形のくり抜き部を有し、前記開口部近傍においてダイ底面とくり抜き部内壁面とが、所定の角度を有し、前記ポンチは、前記曲面凸状膨出部の中腹を介して前記ダイに当接する端部近傍の横断面が、前記ダイの開口部直径よりも大きな直径を有する円形であり、前記曲面凸状膨出部の中腹を介して前記ダイに当接する部分に曲面を有することを特徴とし、その上、前記ダイの所定の角度が９０°以上であることを特徴とするものである。
【実施例１】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１には本実施例の電池の一断面図が示されており、負極２と正極３とをセパレータ４を介して捲回することにより構成した極板群が電池ケース１に収容され、電池ケース１の底部に安全弁５が溶接されている。なお、安全弁５は電池ケース１の底部の厚みよりも薄く、電池内部へ突出した形状を有している。また、電池ケース１の上部には、電池蓋のフランジ６、樹脂製のガスケット７、金属製のワッシャ８および負極端子９からなる電池蓋が形成され、フランジ１０の周縁部と電池ケース１の端面とを溶接することによって封口されている。
【００１６】
（実施例１）
リチウム金属を主成分とする負極と二酸化マンガンを主成分とする正極とをポリプロピレン製のセパレータを介して構成した極板群を、ＳＵＳ３１６製の電池ケースに収容させ、肉厚が０．０２０ｍｍ、直径が６．０ｍｍの薄肉部を有した厚さ０．１ｍｍ、ＳＵＳ３１６製の安全弁を電池内部へ突出した状態で電池ケースの底部にレーザー溶接した。また電池上部についてもレーザー溶接により封口し、直径１７．０ｍｍ、高さ４５．０ｍｍのリチウム一次電池を得、この電池を電池Ａとした。
【００１７】
以下、安全弁について詳細に示す。
【００１８】
図２（１）には安全弁の上面図、図２（２）には同側面図、図２（３）には同拡大断面図が示されている。
【００１９】
また図３（１）〜図３（４）には安全弁作製時のフローを表す図が示されている。
【００２０】
まず図３（１）に示されるように、金属薄板をせん断加工により打ち抜き、円盤状金属板を得る。
【００２１】
次いで、前記円盤状金属板を図３（２）に示されるように電池ケースとの溶着しろとなる鍔部１２を残して曲面凸状膨出部を成型する。
【００２２】
さらに、図４（１）に示される成型金型により、前記円盤状金属板に圧力を加えることで図３（３）に示されるように曲面凸状膨出部に溝部１０および薄肉部１１を形成する。なお、この薄肉加工時の拡大図が図４（２）に示されているが、開口部が円形のくり抜き部を有し、前記開口部近傍においてダイ底面とくり抜き部内壁面との角度が９０°の角度を有するダイ１５に対し、前記曲面凸状膨出部の中腹を介して前記ダイに当接する端部近傍の横断面が、前記ダイ１５の開口部の直径よりも大きな直径を有し、前記曲面凸状膨出部の中腹を介して前記ダイに当接する部分に曲面を有するポンチ１６を押圧することで、溝部を形成して金属薄板の薄肉加工を行い、この薄肉加工によるせん断応力によって薄肉部が形成され、金属薄板に加えられる圧縮応力が軽減され、少ない加工硬化での薄肉加工が可能になる。
【００２３】
最後に、図５に示される異なる曲率を有する金型に金属薄板を装着し、加圧することで図３（４）に示されるような、曲率半径の小さい溝部よりも鍔部側の部分１３と連結一体化された曲率半径の大きい溝部よりも膨出頂部側の部分１４を有する安全弁が成型される。なお、鍔部から円弧部の頂点部までの高さは１．０ｍｍとし、このときの溝部および薄肉加工部の形状は図２（３）のようになっており、溝部の二つの側壁面の角度は１００°であった。
【００２４】
（実施例２）
溝部よりも鍔部側の部分および溝部よりも膨出頂部側の部分の形状を変化させて溝部の二つの側壁面の角度を１１０°とした以外は電池Ａと同様の方法で作製した電池を電池Ｂとした。
【００２５】
（実施例３）
溝部の二つの側壁面の角度を１２０°とした以外は電池Ａと同様の方法で作製した電池を電池Ｃとした。
【００２６】
（実施例４）
溝部の二つの側壁面の角度を１３０°とした以外は電池Ａと同様の方法で作製した電池を電池Ｄとした。
【００２７】
（実施例５）
溝部の二つの側壁面の角度を１４０°とした以外は電池Ａと同様の方法で作製した電池を電池Ｅとした。
【００２８】
（実施例６）
溝部の二つの側壁面の角度を１５０°とした以外は電池Ａと同様の方法で作製した電池を電池Ｆとした。
【００２９】
（実施例７）
溝部の二つの側壁面の角度を１６０°とした以外は電池Ａと同様の方法で作製した電池を電池Ｇとした。
【００３０】
（比較例１）
薄肉加工をする際に、図７に示されるようにダイ１９と断面形状が９０°の角度を有するポンチ２０からなる加工金型に装着し、下方から押圧することで曲面凸状膨出部の内周にあたる円周上に溝部および薄肉部を形成し、その溝部の二つの側壁面の角度を９０°とした以外は電池Ａと同様の方法で作製した電池を電池Ｈとした。なお、図６（１）に電池Ｈの安全弁の上面図、図６（２）に電池Ｈの安全弁の側面図、図６（３）に電池Ｈの安全弁の拡大断面図を示す。
【００３１】
（比較例２）
溝部よりも膨出頂部側の部分の曲率半径を、溝部よりも鍔部側の部分の曲率半径より大きくする工程を行わず、溝部の二つの側壁面の角度を９０°とした以外は電池Ａと同様の方法で作製した電池を電池Ｉとした。
【００３２】
これら電池Ａ〜電池Ｉについて、内圧を加え安全弁が作動したときの作動圧力を比較した結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】
0004622268.tif 000002
【００３４】
この結果から、溝部の二つの側壁面の角度が１００〜１６０°であれば十分な作動圧力が得られ、１００〜１５０°であれば良好な作動圧力を得られることが明らかとなった。一方、圧縮応力のみを加えて薄肉加工した電池Ｈの場合は作動圧力が大幅に高い値になっており十分な作動圧力を得ることができなかったが、これは加工硬化によるものであると考えられる。
【００３５】
また、電池Ｉについては、加工硬化の度合が少ないことから電池Ｈよりも作動圧力は低くなるものの、十分な作動圧力を得ることはできておらず、安定した安全弁の加工方法と
しては適さない。
【００３６】
これらのことから、せん断加工による薄肉加工に加えて、曲率半径の異なる溝部よりも鍔部側の部分と、溝部よりも膨出頂部側の部分を有することで十分な作動圧力を得られることを見い出すことができた。
【００３７】
次に、電池Ａ〜電池Ｉの安全弁の薄肉部について、ビッカース硬度を測定することで、加工硬化の度合を比較した結果を表２に示す。なお、元の金属板のビッカース硬度である鍔部のビッカース硬度は１９０Ｈｖであった。
【００３８】
【表２】
0004622268.tif 000003
【００３９】
表２の結果から、電池Ａ〜電池Ｇでは電池Ｈと比較してビッカース硬度の上昇が大幅に抑制されており、これはせん断加工による薄肉加工により加工硬化が抑えられていることに起因すると考えられる。
【００４０】
また、電池Ａ〜電池Ｇおよび電池Ｉとではビッカース硬度に差がほとんど無いことから、曲率半径の異なる溝部よりも鍔部側の部分と、溝部よりも膨出頂部側の部分を成型することによって加工硬化が起こっていないことが明らかである。
【００４１】
なお、本実施例では安全弁となる金属薄板にＳＵＳ３１６を用いたが、同程度のビッカース硬度を有するステンレス鋼であればオーステナイト系、フェライト系を問わずに使用可能である。
【００４２】
また、本実施例ではリチウム一次電池に関して述べたが、本発明はこの電池系に限定されるものではなく、乾電池やアルカリ蓄電池およびリチウム二次電池等、円筒形を有するあらゆる電池系で利用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の安全弁を密閉型電池に付与することで、高率放電が可能な高エネルギー密度を有するリチウム電池等において、電池が外部短絡等のガス発生を伴う異常な状態におかれた場合でも、安全弁が作動して内部のガスを外部に逃がすことで、ユーザが安心して機器を使用することが可能になる。また、その安全弁を製造する際にも溶体化熱処理等をすることなく、簡易な方法で製造可能なため、工業的な利用価値は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明における実施例の電池の断面図
【図２】（１）本発明における実施例の安全弁の平面図（２）本発明における実施例の安全弁の側面図（３）本発明における実施例の安全弁の拡大断面図
【図３】（１）本発明における実施例のせん断加工後の安全弁の側面図（２）本発明における実施例の安全弁の曲面凸状膨出部の側面図（３）本発明における実施例の溝部を有する安全弁の側面図（４）本発明における実施例の溝部よりも鍔部側の部分と、溝部よりも膨出頂部側の部分を有する安全弁の側面図
【図４】（１）本発明における実施例の安全弁の薄肉加工成型金型の断面図（２）本発明における実施例の安全弁の薄肉加工成型金型の拡大断面図
【図５】本発明における実施例の安全弁の仕上げ加工を行う金型の断面図
【図６】（１）電池Ｈの安全弁の平面図（２）電池Ｈの安全弁の側面図（３）電池Ｈの安全弁の拡大断面図
【図７】電池Ｈの安全弁の薄肉加工成型金型の断面図
【符号の説明】
【００４５】
１    電池ケース
２    負極板
３    正極板
４    セパレータ
５    安全弁
６    フランジ
７    ガスケット
８    ワッシャ
９    負極端子
１０  溝部
１１  薄肉部
１２  鍔部
１３  溝部よりも鍔部側の部分
１４  溝部よりも膨出頂部側の部分
１５  ９０度の角度を有するダイ
１６  Ｃ面加工面を有するポンチ
１７  加工金型の上型
１８  加工金型の下型
１９  ダイ
２０  ９０°の角度を有するポンチ
【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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【図６】
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【図７】
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