(57)【要約】      （修正有）【課題】負極端子溶接時のリチウムを含む負極への熱集中により、負極を構成するリチウムが液状化し、これがセパレータを貫通して正極と接触する内部短絡を起こすが、この内部短絡を防ぐことができる端子付偏平形電池を提供する。【解決手段】リチウムを含む負極１５、正極１６、有機電解液およびセパレータ１８を、封口板１１、ガスケット１９および正極ケース１２で密封封口する偏平形電池であって、前記封口板１１に負極端子２０が溶接され、前記負極１５と封口板１１の内側平面部の間に導電性を有する、例えばグラファイトシート等の熱拡散材１３を設けることによって、負極端子溶接時の負極１５への熱集中の抑制を図り、リチウムの液状化に起因した内部短絡を防ぐ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムを含む負極、正極、有機電解液およびセパレータを、封口板、ガスケットおよび正極ケースで密封封口する偏平形電池であって、前記封口板に負極端子が溶接され、前記負極と封口板内側平面部の間に導電性を有する熱拡散材が設けられたことを特徴とする端子付偏平形電池。
【請求項２】
前記熱拡散材が銅箔である請求項１記載の端子付偏平形電池。
【請求項３】
前記銅箔の厚みが０．０２ｍｍ以上である請求項２記載の端子付偏平形電池。
【請求項４】
前記熱拡散材がグラファイトシートである請求項１記載の端子付偏平形電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小形、薄形の偏平形電池に関するものであり、特に負極と封口板の内側平面部の間に導電性を有する熱拡散材が設けられたことを特徴とする高信頼性の端子付偏平形電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、アルカリ金属またはその合金に非水電解液を組み合わせた発電要素を、偏平形の電池ケースに収容した偏平形非水電解液電池（以下、単に「偏平形電池」という。）は、優れた信頼性を有すると共に高いエネルギー密度を有することから、各種小型電子機器の駆動用電源、及びメモリーバックアップ用電源として、好適に用いられている。
【０００３】
これまで、この種の電池は充電できない一次電池が主流であったが、近年、充電可能な二次電池も各種開発され、メモリーや時計機能等のバックアップ用電源としてその需要が増大している。最近では、携帯電話やデジタルスチルカメラ等の電子機器への需要拡大が著しいが、これら電子機器の小形・薄形化に伴い、機器内部に配される偏平形電池に対しても小形・薄形化が要請されている。
【０００４】
偏平形電池のこれら電子機器への取り付けは電池ホルダーを用いるものや、偏平形電池に端子を取り付け、この端子を電子機器に半田付けするものがあるが、小形・薄形化の観点から電池ホルダーと比較して有利な端子付偏平形電池が主流になりつつある。
【０００５】
一般的な端子付偏平形電池は図３に示すように、リチウムを含む負極、セパレータ、正極および有機電解液を、ステンレス材からなる封口板および正極ケースでガスケットを介して密封し、封口板および正極ケースにステンレス材からなる端子を抵抗溶接またはレーザー溶接することにより得られる。
【０００６】
また、負極にリチウム金属単体、正極にペレット状もしくはシート状の成型体を用いる一次電池では、特許文献１に示されるような方法で正極ケースの内側平面部にカーボン塗布層を設け、正極と正極ケースの電気的接触性を高めている。一方、負極にリチウムを含む酸化物、窒化物等をペレット状もしくはシート状にした成型体を用いる二次電池では、正極ケースにカーボン塗布層を設け、正極と正極ケースの電気的接触性を高めるとともに、封口板の内側平面部にカーボン塗布層を設け、負極と封口板との電気的接触性を高めている。
【特許文献１】特開平１１−１３５０８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図３に示す構造の電池で特に薄形の電池においては、封口板、正極ケースおよび端子材の薄形化が必須となり、端子付偏平形電池を得るには、板厚の薄いステンレス材同士を溶接する必要がある。ステンレス材同士を溶接するには溶接点に１３００℃以上の熱を加える必要があるが、ステンレス材は金属の中でも熱伝導率の低い材料として知られており、板厚の薄いステンレス材の場合、端子溶接時、負極および正極に２００℃以上の熱が局所的に集中する。特に封口板への負極端子の溶接は、封口板の内側平面部に接する位置に融点約１８０℃のリチウムを含む負極があり、この負極に２００℃以上の熱が局所的に加えられると、リチウムが液状化してセパレータを貫通する。これにより内部短絡を引き起こすと言う課題があった。
【０００８】
本発明は、このような課題を解決するもので、薄形であっても端子溶接時に内部短絡を引き起こさない高信頼性の端子付偏平形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】
上記課題を解決するために、本発明の端子付偏平形電池は、リチウムを含む負極、正極、有機電解液およびセパレータを、封口板、ガスケットおよび正極ケースで密封封口する偏平形電池であって、前記封口板に負極端子が溶接され、前記負極と封口板の内側平面部の間に導電性を有する熱拡散材を設けたものである。
【００１０】
本発明の電池構造を用いることによって、偏平形電池の封口板に負極端子を溶接する際のリチウムを含む負極への熱集中を熱拡散材が緩和するため、リチウムの液状化を抑制し、内部短絡の発生を防止することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、小形・薄形の偏平形電池であっても、端子溶接時に内部短絡を起こすことのない高信頼性の端子付偏平形電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の請求項１に記載の発明は、リチウムを含む負極、正極、有機電解液およびセパレータを、封口板、ガスケットおよび正極ケースで密封封口する偏平形電池であって、前記封口板に負極端子が溶接され、前記負極と封口板内側平面部の間に導電性を有する熱拡散材が設けられた構造であり、偏平形電池の封口板に負極端子を溶接する際に、熱拡散材によって前記負極への熱集中を緩和させるものである。
【００１３】
以下本発明の好ましい実施形態について、端子付偏平形一次電池を例として図面を参照しながら説明する。なお本発明は一次電池に限定されるものではない。
【００１４】
図１に示す本発明の端子付偏平形一次電池は、ペレット状またはシート状に成型された正極１６、ステンレスからなる正極ケース１２と正極１６との電気的接触性を高めるカーボン塗布層１４、リチウム金属からなる負極１５、導電性を有する熱拡散材１３、ステンレスからなる封口板１１と熱拡散材１３との電気的接触性を高めるカーボン塗布層１７、正極１６と負極１５を分離する樹脂からなるセパレータ１８および有機電解液を発電要素とし、封口板１１および正極ケース１２で樹脂からなるガスケット１９を介して密封封口してなる偏平形一次電池の封口板１１、正極ケース１２それぞれにステンレスからなる負極端子２０、正極端子２１を溶接した構造を有する。
【００１５】
本実施の形態においては、熱拡散材１３を封口板１１の内面平面部と負極１５の間に設けることに最大の特徴を有する。ステンレス材は安価で耐食性に優れるため、電池材料として一般的に用いられるが、熱伝導率が約１５〜３０W／ｍ・Kと金属の中でも熱伝導率が低い。一方、ステンレス材の融点は１３００℃以上と高いため、ステンレス材同士を溶接する場合、溶接点にこの温度以上の熱を加える必要がある。厚みの大きなステンレス材を封口板１１に用いれば溶接点と負極１５との物理的距離が大きくできるため、負極１５への熱伝導を抑制することができるが、内容積減少による放電容量低下を招くため不利となる。厚みの小さいステンレス材を封口板１１に用いた場合、溶接点と負極１５との物理的距離が小さくなるため、負極１５への熱集中が起こる。本発明は熱拡散材１３を封口板１１の内面平面部と負極１５の間に配置することにより、偏平形一次電池の封口板１１に負極端子２０を溶接する際に生じる負極１５への局所的な熱集中を熱拡散材１３が抑制するため、リチウムが液状化することなく、セパレータ１７をリチウムが貫通することによる内部短絡を防ぐ作用を有する。
【００１６】
請求項２に記載の本発明は、熱拡散材１３に銅箔を用いることを特徴とするものである。銅箔は加工性に優れ、導電性を有するので封口板１１と負極１５との電気的接触性の低下による電池の内部抵抗上昇を引きこすことがない。また、薄厚化が容易で熱伝導率も３９０Ｗ／ｍ・Ｋと大きいため、偏平形電池の封口板１１に負極端子２０を溶接する際に生じる負極１６への局所的な熱集中を抑制し、セパレータ１７をリチウムが貫通することによる内部短絡を防ぐ作用を有する。
【００１７】
請求項３に記載の本発明は、請求項２において銅箔の厚みを０．０２ｍｍ以上に限定するものである。この限定によって、より高い内部短絡防止効果を得ることができる。
【００１８】
請求項４に記載の本発明は、熱拡散材１３にグラファイトシートを用いることを特徴とするものである。グラファイトシートが有する導電性により、封口板１１と負極１５との電気的接触性の低下による電池の内部抵抗上昇を引きこすことがない。また、その構造上、平面方向の熱伝導率を厚さ方向の熱伝導率よりも著しく大きくできるため、薄厚であっても偏平形電池の封口板１１に負極端子２０を溶接する際に生じる負極１６への局所的な熱集中を抑制し、セパレータ１７をリチウムが貫通することによる内部短絡を防ぐ作用を有する。
【実施例１】
【００１９】
以下、本発明の好ましい実施例について説明する。
【００２０】
（実施例１）
図１は本発明の端子付偏平形電池の断面図である。
【００２１】
実施例１として、直径６．８ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの偏平形電池を以下の条件で作製し、これに負極端子および正極端子を溶接により取り付け、図１に示す端子付偏平形電池を得た。封口板１１は耐食性に優れたステンレス材（ＳＵＳ３０４、厚さ０．１０ｍｍ）を用い、封口板の内側平面部にはカーボン塗料が塗着されカーボン塗布層１７が形成されている。熱拡散材には厚み０．０５ｍｍで熱伝導率３９０Ｗ／ｍ・Ｋの銅箔を径４．２ｍｍの円形に打ち抜き、これをリチウム金属からなる負極１５とカーボン塗布層１７を有する封口板１１の内側平面部の間に配置した。
【００２２】
正極ケース１２は、耐食性に優れたステンレス材（ＳＵＳ４４４、厚さ０．１０ｍｍ）を用い、正極ケース１２の内面にはカーボン塗料が塗着されカーボン塗布層１４が形成されている。正極１６と負極１５との間に配されるセパレータ１８にはポリプロピレン製の不織布を使用した。ガスケット１９は、封口板１１と正極ケース１２とを絶縁するとともに、物理的に発電要素を電池容器内に封止しており、ポリプロピレンを使用している。このセパレータ１８の周縁部はガスケット１９の立ち上がり部と封口板１１とで形成されてなるセパレータ収納部に収納させることにより、その形状をカップ状にさせている。ガスケット１９と封口板１１、および正極ケース１２とガスケット１９との間にブチルゴムをトルエンで希釈した溶液を塗布し、トルエンを蒸発させることによりブチルゴム膜からなるシーラントとした。
【００２３】
正極１６はフッ化黒鉛、導電剤のカーボンブラックおよびフッ素樹脂の結着剤の混合粉末に水を加えて混練し、造粒させた後に乾燥させ、一定寸法に加圧成型されており、ペレット状に成型されている。また有機電解液にはガンマブチロラクトンと１、２−ジメトキシエタンとの等容積混合溶媒に、ホウフッ化リチウムを１モル／リットルの割合で溶解したものを使用した。
【００２４】
負極端子２０にはステンレス材（ＳＵＳ３０４、厚さ０．０８ｍｍ）を用い、封口板１
１への負極端子２０の取り付けは抵抗溶接により行った。正極端子２１も負極端子２０と同様にステンレス材（ＳＵＳ３０４、  厚さ０．０８ｍｍ）を用い、抵抗溶接により正極ケース１２に取り付けた。
【００２５】
（実施例２）
実施例２として、図２に示す端子付偏平形電池を作製した。封口板１１の内側平面部にはカーボン塗布がされておらず、熱拡散材１３は厚み０．０５ｍｍで熱伝導率３９０Ｗ／ｍ・Ｋの銅箔を径４．２ｍｍの円形に打ち抜いたもので、リチウム金属からなる負極１５と封口板１１の内側平面部の間に配置されている。他の構成は、実施例１と同様である。
【００２６】
（比較例１）
比較例１として、図３に示す端子付偏平形電池を作製した。封口板１１の内側平面部にはカーボン塗布がされておらず、熱拡散材が無いためリチウム金属からなる負極１５が封口板１１の内面に直接圧着されている。他の構成は、実施例１と同様である。
【００２７】
実施例１、実施例２および比較例１の電池を各１００個ずつ作製し、端子溶接直後の電池電圧の測定により、内部短絡を起こした電池の割合の確認を行った。その結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
実施例１および実施例２の電池では、負極１５と封口板１１の間に熱拡散材１３が設けられており、封口板１１に負極端子２０を溶接する際、熱拡散材１３による負極１５への熱集中を緩和するため、リチウムが液状化することがない。このためセパレータ１７のリチウム貫通による内部短絡が起こらない。一方、比較例１の電池では負極１５と封口板１１の間に熱拡散材１３が設けられておらず、封口板１１に負極端子２０を溶接する際の負極１５への熱集中が起こり、リチウムが液状化する。このリチウムがセパレータ１７を貫通し正極１６と接触し、内部短絡を引き起こしたものと考えられる。
【００３０】
次に、交流法１ｋHｚで電池の内部抵抗を測定した。表２にそれぞれの電池１００個の内部抵抗の平均値を示す。
【００３１】
【表２】
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【００３２】
内部抵抗に関しては、実施例１、比較例１において顕著な差が見られない。実施例１の場合、封口板１１の内側平面部にカーボン塗布層１７があるため、銅箔からなる熱拡散材１３と封口板１１の電気的接触が良好に保たれており、銅箔からなる熱拡散材１３とリチウムからなる負極１５も圧着により電気的接触が良好に保たれている。比較例１の場合、封口板１１の内側平面部にカーボン層は形成されていないが、封口板１１の内側平面部にリチウムからなる負極１５が圧着されているため電気的接触は良好に保たれ、顕著な差が見られないと考えられる。
【００３３】
一方、実施例２では、銅箔からなる熱拡散材１３とリチウムからなる負極１５は圧着により電気的接触性が良好に保たれているが、封口板１１の内側平面部にカーボン塗布層が形成されていないため、電気的接触性が不安定となり実施例１および比較例１と比べて大きくなったものと考えられる。内部短絡の防止と言う観点からは封口板１１の内側平面部に形成されるカーボン塗布層の有無による差が認められないが、封口板１１の内側平面部にカーボン塗布層を形成させる方が内部抵抗を安定化させることができるため、より好ましい。
【００３４】
なお本実施例では封口板としてＳＵＳ３０４、正極ケースとしてＳＵＳ４４４、負極端子および正極端子としてＳＵＳ３０４を用いたがＳＵＳ３１６、ＳＵＳ４３０等のステンレス材を用いても同様の効果が得られる。
【００３５】
また本発明は、負極にリチウム金属を用いる一次電池に限定されるものではなく、リチウムを含む酸化物、窒化物を負極に用いる二次電池にも適用できる。さらに正極活物質や電解液の種類に限定されるものではない。
【００３６】
次に材料や厚みを変えた熱拡散材を用いて詳細な検討を行った。
【００３７】
（実施例３）
熱拡散材１３に厚み０．０２ｍｍの銅箔を用いた以外は実施例１の電池と同様の実施例３の電池を作製した。
【００３８】
（実施例４）
熱拡散材１３に厚み０．０１５ｍｍの銅箔を用いた以外は実施例１の電池と同様の実施例４の電池を作製した。
【００３９】
（実施例５）
熱拡散材１３に平面方向の熱伝導率が１５００〜１７００Ｗ／ｍ・Ｋ、厚さ方向の熱伝導率が１５Ｗ／ｍ・Ｋ、その厚みが０．０２５ｍｍのグラファイトシートを径４．２ｍｍの円形に打ち抜いたものを２枚重ねて厚みを０．０５ｍｍとしたもの以外は実施例１の電池と同様の実施例５の電池を作製した。
【００４０】
（実施例６）
熱拡散材１３に平面方向の熱伝導率が１５００〜１７００Ｗ／ｍ・Ｋ、厚さ方向の熱伝導率が１５Ｗ／ｍ・Ｋ、その厚みが０．０２５ｍｍのグラファイトシートを径４．２ｍｍの円形に打ち抜いたものを用いた以外は実施例１の電池と同様の実施例６の電池を作製した。
【００４１】
実施例３〜実施例６の電池を各１００個ずつ作製し、端子溶接直後の電池電圧の測定により、内部短絡を起こした電池の割合の確認を行った。その結果を表３に示す。
【００４２】
【表３】
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【００４３】
実施例３および実施例５〜実施例６の電池では、封口板１１に負極端子２０を溶接する際、負極１５と封口板１１の内側平面部の間に設けられた熱拡散材１３が負極１５への熱集中を緩和するため、リチウムが液状化することがない。このためセパレータ１７をリチウムが貫通することによる内部短絡が起こらない。一方、実施例４の場合、銅箔が０．０１５ｍｍと薄いため、熱拡散が十分に行われる前に負極１５の表面に熱が素早く伝わり、このためにリチウムが液状化を起こし、内部短絡を生じさせたものと考えられる。
【００４４】
また、熱拡散材にグラファイトシートを用いる場合、グラファイトの構造上、平面方向の熱伝導率は非常に大きく、かつ厚み方向の熱伝導率は著しく小さいため、最適な素材と考えられる。
【００４５】
なお本実施例では封口板としてＳＵＳ３０４、正極ケースとしてＳＵＳ４４４、負極端子および正極端子としてＳＵＳ３０４を用いたがＳＵＳ３１６、ＳＵＳ４３０等のステンレス材を用いても同様の効果が得られる。
【００４６】
また本発明は、負極にリチウム金属を用いる一次電池に限定されるものではなく、リチウムを含む酸化物、窒化物を負極に用いる二次電池にも適用できる。さらに正極活物質や電解液の種類に限定されるものではない。
【００４７】
また本発明は、正極活物質や電解液の種類に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明はリチウムを含む負極と封口板の内側平面部の間に熱拡散材を設けることにより、封口板に負極端子を溶接する際の負極への熱集中を緩和し、リチウムが液状化することによるセパレータのリチウム貫通による内部短絡を防止する。これにより高信頼性を有する端子付偏平形電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施例１及び実施例３〜５における端子付偏平形電池の断面図
【図２】本発明の実施例２における端子付偏平形電池の断面図
【図３】従来の比較例１における端子付偏平形電池の断面図
【符号の説明】
【００５０】
１１  封口板
１２  正極ケース
１３  熱拡散材
１４  カーボン塗布層
１５  負極
１６  正極
１７  カーボン塗布層
１８  セパレータ
１９  ガスケット
２０  負極端子
２１  正極端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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