CN101533895B - 密闭型电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用激光束等高能量线对被嵌合于电池外装罐的开口部的封口体进行焊接的焊接部的断裂强度大的密闭型电池及其制造方法。本发明的密闭型电池的制造方法的特征在于，采用具有开口部的外装罐(15)和封口体(16)，并且具备：以使所述电池外装罐(15)与所述封口体(16)的凸缘的顶面彼此位于大致同一平面的方式将封口体(16)插入所述电池外装罐(15)的开口部的第一步骤；对所述电池外装罐(15)的开口部与封口体(16)的嵌合部照射高能量线而焊接的第二步骤，其中，所述封口体(16)是在与所述电池外装罐(15)的嵌合面的整个圆周或其一部分设有在凸缘的中途垂直竖起的竖起部的封口体。
Description
技术领域
本发明涉及密闭型电池及其制造方法，特别是，涉及被嵌合于电池外装罐的开口部的封口体的凸缘被激光束等高能量线焊接的焊接部的断裂强度大的密闭型电池及其制造方法。
背景技术
伴随携带型的电子设备的快速普及化，对其使用的电池的规格要求也逐年愈发严格，特别是对小型/薄型化、高容量、优良的循环特性以及稳定的性能的要求进一步增大。并且，在二次电池领域之中，与其它电池相比，作为高能量密度的镍氢电池和非水电解质锂二次电池格外引人注目，这些二次电池所占比例在二次电池市场中显示出很大的发展。
然而，在这种二次电池被使用的设备中，收容电池的空间大多为方形(扁平的箱形)，因此，往往使用将发电要件收容于方形的电池外装罐并加以密闭的密闭型二次电池。这样的方形的密闭型二次电池的一例利用图1～图3来说明。
图1为表示将以往所制造的方形的密闭型电池即非水电解质锂二次电池沿纵向切断的立体图。图2为表示将封口体嵌合于电池外装罐的状态的俯视图。图3为表示激光焊接电池外装罐与封口体的状态的示意剖视图。
在这种密闭型二次电池10中，将正极板12与负极板11经由隔板13而被卷绕的扁平状的涡旋状电极体14收容于方形的电池外装罐15的内部，并通过封口体16密闭方形的电池外装罐15。扁平状的涡旋状电极体14以使正极板12位于最外周并露出的方式卷绕，露出的最外周的正极板12与兼具正极端子的方形的电池外装罐15的内面直接接触，且进行电连接。另外，负极板11形成于封口体16的中央，并经由集电器19与隔着绝缘体17而安装的负极端子18进行电连接。并且，由于方形的电池外装罐15与正极板12进行电连接，所以为了防止负极板11与方形的电池外装罐15间的短路，通过将绝缘隔片20插入扁平状的涡旋状电极体14的上端与封口体16之间，从而将负极板11与方形的电池外装罐15制成电绝缘状态。
该方形的非水电解质二次电池通过如下所述的方法而制得：将扁平状的涡旋状电极体14插入方形的电池外装罐15内后，将封口体16用激光焊接在方形的电池外装罐15的开口部上，之后，从电解液注入孔21注入非水电解质并密闭该电解液注入孔21。这样，激光焊接封口体16以固定于方形外装罐的方法不会使容积效率降低，而可实现能够可靠地密封电池外装罐15的开口部的效果，因此，这样的方法被广泛地使用(参照下述专利文献1～3)。
另外，如图3所示，电池外装罐15与封口体16之间的激光焊接通过如下的方式而实现：以使电池外装罐15与封口体16的顶面呈水平的方式嵌合，再从一体化了的组装品的上方沿垂直方向照射激光束，从而熔融熔接电池外装罐与封口体。并且，作为上述那样的电池外装罐15及封口体16的形成材料而言，一般使用以廉价且轻量化为目的的热传递优良的铝或铝合金。
专利文献1：日本特开2000-268781号公报
专利文献2：日本特开2005-183360号公报
专利文献3：日本特开2006-19089号公报
在使用热传递优良的铝或铝合金作为电池外装罐15及封口体16的形成材料的情况下，若电池外装罐15与封口体16之间没有进行充分的熔深，则无法提高接合强度，有可能在下落冲击时导致电解液泄漏。作为这样的无法形成充分的熔深的理由之一，可举出如下原因：嵌合面的电池外装罐15与封口体16的壁厚差或材质的不同，导致各自的熔化方式不同，而无法实现一定的熔深。
发明人等为了解决这样的在基于激光束等高能量线进行对方形的电池外装罐15与封口体16的焊接时所产生的问题点，反复进行了各种各样的实验。其结果是，发现如下所述的情况：若对激光束的光束径加以考虑，来设计电池外装罐15与封口体16这两者的壁厚以使二者的顶面完全熔化，进而为了不降低封口体16的母材的强度，使凸缘底具有充分的壁厚，并使方形的电池外装罐15与封口体16的焊接部充分地熔解，则能够增加焊接部的强度，且还能够确保四周的母材强度，从而能够获得耐下落可靠性优良的密闭型电池。
发明内容
为此，本发明的目的在于，提供一种密闭型电池，其使电池外装罐与封口体之间的焊接部分产生充分的熔深以获得充分的接合强度，并且还能够确保四周的母材强度，同时耐下落可靠性优良，从而能够抑制受到冲击时的电解液泄漏。
为了实现上述目的，本发明提供一种密闭型电池，其通过基于高能量线的焊接对电池外装罐与封口上述电池外装罐的开口的封口体的嵌合面进行接合，其特征在于，电池外装罐与封口体的焊接部截面为从熔融凝固部底面向电池外装罐的外侧隆起并将电池外装罐与封口体的嵌合线作为顶点的形状，而且上述电池外装罐侧与封口体侧的熔融凝固部形成为其底面处位于与封口体的顶面实质上平行的直线上，并且以到达上述封口体的凸缘的顶面侧的锥形部的方式形成。
根据本发明的密闭型电池，外装罐与封口体的焊接部截面为从熔融凝固部底面向电池外装罐的外侧隆起并将电池外装罐与封口体的嵌合线作为顶点的形状，因此，电池外装罐与封口体的嵌合位置和熔融凝固部的表面之间的距离变长。而且，根据本发明的密闭型电池，封口体的凸缘的根部无法熔化，从而具有可确保母材强度的充分强度。由此，根据本发明的密闭型电池，可获得即使受到下落冲击等，自封口体母材与焊接部的交界的断裂或焊接部的破裂也难以产生，并且耐下落可靠性优良、受到不同冲击时的电解液泄漏减少以及安全性高的密闭型电池。需要说明的是，本发明中的“实质上平行”的用语，并不是一定需要完全平行，也用于在包含乍一看近似平行的状态的场合的意思。
另外，在本发明的密闭型电池中，优选上述电池外装罐及上述封口体由铝或铝合金构成。
铝及铝合金廉价且分量轻，但热传递高。为此，现有例的由铝及铝合金构成的电池外装罐与封口体的焊接部无法形成充分的熔深，因此，不能提高焊接接合强度，容易发生下落冲击时的电解液的泄漏。与其相对，在本发明的密闭型电池中，电池外装罐与封口体充分地熔深，因此，焊接部的强度增加，四周的母材强度也得以确保，从而制成廉价且分量轻，耐下落可靠性优良的密闭型电池。
进而，本发明的密闭型电池的制造方法的特征在于，利用电池外装罐和封口体，并具备：将电极体焊接于上述封口体的端子部的工序；将上述电极体插入上述电池外装罐内，并且以使上述电池外装罐及封口体这二者的顶面位于同一平面上的方式对位的工序；将焦点对准上述电池外装罐与封口体的嵌合部并照射高能量线而焊接的工序，其中，上述封口体具备端子部，并在该封口体与上述电池外装罐的嵌合面整周上或在其一部分上形成有锥形部，凸缘前端部的顶面比根部薄且壁厚一定，该锥形部形成为与从上述顶面朝向底部垂直的部分的厚度连续变厚。
在本发明的密闭型电池的制造方法中使用的封口体具有以下结构，即，在该封口体与电池外装罐的嵌合面上形成有锥形部，凸缘前端部的顶面比根部薄且壁厚一定，该锥形部形成为与从上述顶面朝向底部垂直的部分的厚度连续变厚。在使该封口体嵌合于电池外装罐并使电池外装罐及封口体这二者的顶面位于同一平面上的方式对位之后，若将焦点对准电池外装罐与封口体的嵌合部并照射高能量线而进行焊接，则从电池外装罐及封口体的凸缘的顶面朝向底部垂直的部分熔融，并且封口体的凸缘的锥形部的顶面侧的一部分也熔融。然而，由于封口体的凸缘的锥形部的厚度渐渐变厚，所以用于热传递的温度降低，在锥形部的途中熔融停止。即。封口体的凸缘的根部不会熔融。
因而，若采用本发明的密闭型电池的制造方法，则外装罐与封口体的焊接部截面成为从熔融凝固部底面向电池外装罐的外侧隆起并将电池外装罐与封口体的嵌合线作为顶点的形状，并且封口体的凸缘的根部不会熔融。由此，根据本发明的密闭型电池的制造方法，电池外装罐与封口体充分地熔深，焊接部的强度增加，且四周的母材强度也得以确保，从而可获得廉价且分量轻、耐下落可靠性优良的密闭型电池。
另外，在本发明的密闭型电池的制造方法中，作为高能量线并不只有激光束，也可使用电子束。
另外，在本发明的密闭型电池的制造方法中，上述电池外装罐及上述封口体均由铝或铝合金构成，优选上述电池外装罐的厚度为0.2～0.3mm，上述封口体的凸缘中，其整体高度为0.2～0.3mm、前端部的壁厚为0.2～0.35mm、高度为0.05～0.15mm、根部的最厚部的壁厚为0.4～0.45mm。
若电池外装罐的开口部壁厚不足0.2mm，则电池外装罐的强度减弱，若超过0.3mm，则电池外装罐的熔融深度变浅，导致焊接部的强度降低。并且，若封口体的凸缘部的整体高度不足0.2mm，则封口体向母材的热传递过于变大且熔融深度变浅，导致焊接部的强度降低，若超过0.3mm，则密闭型电池的内部容积相应减少。另外，若封口体的凸缘的前端部的壁厚不足0.2mm，则熔融凝固部的隆起变少，导致焊接部的强度降低，若超过0.35mm，则激光束的光斑直径在0.6mm左右，导致无法熔融至凸缘的锥形部，从而焊接部的强度降低。
另外，若封口体的前端部的高度不足0.05mm，则实质上变得与在封口体的凸缘没有形成前端部的情况相同，若超过0.15mm，则发生封口体的凸缘的前端部不会全部熔融的情况，导致焊接部的强度降低。进而，若封口体的凸缘的根部的壁厚不足0.4mm，则难以确保封口体母材的强度，若超过0.45mm，则向封口体母材的热扩散变大，导致凸缘部的热集中效应变少。
附图说明
图1是表示纵向截断作为方形的密闭型电池的非水电解质锂二次电池的立体图。
图2是表示将封口体嵌合于电池外装罐的状态的俯视图。
图3是表示用激光焊接电池外装罐与封口体的状态的示意剖面图。
图4A是表示实施例的焊接前的状态的示意剖视图，图4B是表示实施例的焊接后的状态的示意剖视图。
图5是表示实施例的焊接后的状态的局部放大俯视图。
图6A是表示比较例1的焊接前的状态的示意剖视图，图6B是表示比较例1的焊接后的状态的示意剖视图。
图7A是表示比较例2的焊接前的状态的示意剖视图，图7B是表示比较例2的焊接后的状态的示意剖视图。
图中，10-非水电解质二次电池，11-负极板，12-正极板，13-隔板，14-涡旋状电极体，15-外装罐，16-封口体，17-绝缘体，18-负极端子，21-电解液注入孔，22-凸缘，30a、30b、30c-焊接部，31a、31b、31c-熔融凝固部底面。
具体实施方式
以下，以用于实施本申请发明的最佳方式使用了方形的密闭型电池及作为高能量线的激光束的情况为例，对实施例及比较例进行详细地说明。不过，在以下所示的实施例中，并不是将本发明的技术思想例示在用于具体化的一例当中，本发明也并不局限于该实施例，本发明也能够等同地使用于作为高能量线而使用电子束的情况下等的没有脱离权利要求所表示的技术思想而进行各种各样的改进的场合之中。
另外，图4A是表示实施例的焊接前的状态的示意剖视图，图4B是表示实施例的焊接后的状态的示意剖视图。图5是表示实施例的焊接后的状态的局部放大俯视图。图6A是表示比较例1的焊接前的状态的示意剖视图，图6B是表示比较例1的焊接后的状态的示意剖视图。图7A是表示比较例2的焊接前的状态的示意剖视图，图7B是表示比较例2的焊接后的状态的示意剖视图。
而且，在实施例、比较例1及2中，作为方形的电池外装体及封口体使用了与图1及图2所示同样形状的电池外装体及封口体，在图4～图7中，与图1及图2相同的构成部分标以相同的参考标号来说明。
在此，在实施例、比较例1及2中，均使用了顶面的宽度为0.2mm的方形的电池外装罐15。另外，作为封口体16，使用了如图1、图2所示的由纯铝构成的大致长方形的封口体16。该封口体16在周缘上具有凸缘22，在中央部设有隔着绝缘体17而安装的负极端子18，并且具备电解液注入孔21。而且，在比较例1及2中，除凸缘22的形状存在差异以外，使用了与实施例的封口体16相同材料且相同尺寸的封口体。
即，比较例1的凸缘22的壁厚为与电池外装罐15的顶面的宽度相同的0.2mm，与其相对，比较例2的凸缘22的壁厚为电池外装罐15的顶面的宽度的两倍即0.4mm，仅在这一方面二者存在差异，其他部分的尺寸全部相同，另外，二者在凸缘22上均没有形成锥形部。与其相对，在实施例的封口体16的凸缘22中，壁厚为比较例1及比较例2的中间值即0.3mm，且形成有锥形部，并且，包含锥形部在内的凸缘的整体宽度与比较例2的情况相同，为0.4mm。
实施例、比较例1及比较例2的电池外装罐15及凸缘22的具体结构及尺寸示于图4A、图6A及图7A中。而且，这些附图中的数字的单位均为“mm”。然后，在实施例、比较例1及比较例2中，分别制成15个以顶面呈平坦的方式而分别安装于壁厚0.20mm的规定尺寸的外装罐15的开口内缘上，且不使用电极体及电解液的模拟电池，接着，在从凸缘22的顶面侧到周向整体的整个范围内对封口体16与电池外装罐15的接合面，通过脉冲激光束进行焊接。实施例、比较例1及比较例2的焊接后的焊接部的截面形状分别式于图4B、图6B及图7B中，另外，实施例的焊接后的局部放大俯视图示于图5中。而且，制成的模拟电池的外形尺寸均为厚度5.8mm×宽度34mm×高度43mm。
对于10个焊接后的各模拟电池，分别横向垂直切断负极端子18，从而测量该截面的熔融凝固部的焊接深度Wd。另外，对于实施例、比较例1及2的5个模拟电池，分别通过利用尖端直径3mm的圆棒对负极端子加压而测量断裂时的载荷(最大施加载荷500N)与位移，从而测量焊接部的强度。(将这种试验称之为“压入试验”)整理结果将其示于表1。需要说明的是，表1所示的上侧的数字表示平均值，括号内的数值表示测量的范围。
[表1]
| 实施例 | 比较例1 | 比较例2 | |
| 焊接深度n＝10P | 0.278mm(0.250～0.318) | 0.270mm(0.239～0.314) | 0.204mm(0.186～0.248) |
| 断裂时载荷n＝5P | 全部500N以上 | 430N(396～450) | 383N(356～422) |
另外，将实施例、比较例1及2的封口体安装于电极体，将电极体插入外装罐，同时将封口体结合于外装罐开口部，并通过脉冲激光束焊接之后，注入电解液，而制成15个密封了的电池，对其中的各10个以条件1(从1m的高度随机下落到铁板的表面)进行下落试验，进而，对其中的各5个以条件2(从30cm的高度以负极端子朝下的方式下落到铁板的表面)进行下落试验。整理结构将其示于表2。需要说明的是，表2所示的上侧的数字表示平均值，括号内的数值表示测量的范围。
[表2]
| 实施例 | 比较例1 | 比较例2 | |
| 条件1 n＝10P | 全部500次合格 | 400次(250～600) | 270次(150～450) |
| 条件2 n＝5P | 全部500次合格 | 140次(90～180) | 250次(170～300) |
如4B所示，实施例的模拟电池的焊接部30a的截面为从熔融凝固部底面31a向电池外装罐15的外侧隆起并将电池外装罐15与封口体16的嵌合线32a作为顶点的形状，并且，电池外装罐15侧与封口体16侧的熔融凝固部的底面31a位于与封口体16的顶面33a大致平行的直线上，且以到达封口体16的凸缘的顶面侧的锥形部34a的方式形成。与其相对，如6B所示，对于比较例1的模拟电池的焊接部30b的截面而言，由于将封口体16的凸缘22的宽度设成与电池外装罐15的宽度相同，所以凸缘22全部被熔融，熔融凝固部底面31b从凸缘22侧朝向电池外装罐15侧而向下侧倾斜。另外，如7B所示，对于比较例2的模拟电池的焊接部30c的截面而言，由于将封口体16的凸缘22的宽度设成比电池外装罐15的宽度宽，所以凸缘22仅有局部熔融。然后，比较例2的焊接部30c的熔融凝固部底面31c从凸缘22侧朝向电池外装罐15侧而向下侧倾斜，并且在电池外装罐15与封口体16的嵌合线32c的位置产生拐点。
另外，由表1所示的结构可得知以下的内容。对于焊接深度Wd而言，比较例1比比较例2大得多，实施例比比较例1稍微大一些。另一方面，对于压入试验结果而言，在实施例中，直至采用500N的载荷还没有完全断裂，但在比较例1中，采用430N即断裂，在比较例2中，采用383N即断裂。另外，比较例1时的断裂面全部为封口体16的母材的断裂，比较例2的断裂面全部为焊接部30c的断裂。
由此可知，在比较例1中，虽然焊接部的强度得以提高，但由于凸缘22的壁厚较薄，所以以至封口体16的母材也断裂。因而，封口体16的凸缘22的壁厚在凸缘22上没有形成为锥形部的情况下，从封口体的母材的强度这一方面考虑，优选在0.2mm以上，但若为0.4mm，焊接部的强度反而降低。由此可知，在凸缘22上形成有锥形部的情况下，若考虑激光束的光斑直径为0.6mm左右的情况，则熔融至凸缘22的锥形部，因此，优选封口体16的凸缘22的前端部的壁厚的上限为0.35mm。
另外，由表2所示的结果可知以下的内容。即，对于条件1的随机下落试验而言，在实施例的情况下，即使下落全部500次，电解液也不会泄漏，不过，在比较例1中，下落平均400次，电解液即泄漏，在比较例2中，下落平均270次，电解液即泄漏。与其相对，在从条件2的负极侧端子侧的下落中，在实施例的情况下，即使下落全部500次，电解液也不会泄漏，不过，在比较例1中，下落平均140次，电解液即泄漏，在比较例2中，下落平均250次，电解液即泄漏。比较例1的电解液全部从封口体16的母材断裂部位泄漏，比较例2的电解液全部从焊接部30a的断裂部位泄漏。由此可知，在比较例1中，虽然焊接部的强度得以提高，但由于凸缘22的壁厚较小，母材强度不足，导致封口体16的母材的断裂，以致发生了电解液泄漏。与其相对，在实施例中，凸缘22的前端部全部熔融，且根部的壁厚也足够，因此，焊接部、封口体母材均具有足够的强度。
而且，在上述实施例、比较例1及2中，使用了开口部壁厚为0.2mm的电池外装罐15，不过，若电池外装罐15的厚度不足0.2mm，则所获得的电池的强度变弱，若超过0.3mm，则电池外装罐15的熔融深度变浅，导致焊接部的强度降低。由此，优选电池外装罐15的开口部壁厚在0.2～0.3mm的范围内。另外，若封口体的凸缘部的整体高度不足0.2mm，则封口体16向母材的热传递过于变大，熔融深度变浅，导致焊接部的强度降低，若超过0.3mm，则密闭型电池的内部容积相应减少。由此，优选封口体的凸缘部的整体高度在0.2～0.3mm的范围内。
另外，若封口体16的凸缘22的前端部的壁厚不足0.2mm，则熔融凝固部的隆起变少，导致焊接部的强度降低，若超过0.35mm，则激光束的光斑直径在0.6mm左右，导致无法熔融至凸缘的锥形部，从而焊接部的强度降低。由此，优选封口体16的凸缘22的前端部的壁厚在0.2～0.35mm的范围内。另外，若封口体16的前端部的高度不足0.05mm，则实质上变得与在封口体的凸缘没有形成前端部的情况相同，若超过0.15mm，则发生封口体的凸缘的前端部不会全部熔融的情况，导致焊接部的强度降低。由此，优选封口体16的前端部的高度在0.05～0.15mm的范围内。
进而，若封口体的凸缘的根部的壁厚不足0.4mm，则难以确保母材的强度，若超过0.45mm，则向封口体母材的热传递变大，导致凸缘部的热集中效应变少。由此，优选封口体的凸缘的根部的壁厚在0.4～0.45mm的范围内。
而且，在上述试验中，示出了作为焊接方法而采用激光焊接法的情况，但并不局限于此，也可使用公知的高能量线，例如电子束焊接法。另外，在上述实施例中，示出了在封口体的整个圆周上改良凸缘的形状的例子，但也可以间断性地设置。
Claims (4)
1.一种密闭型电池，其是通过基于高能量线的焊接将电池外装罐与对所述电池外装罐的开口部进行封口的封口体的嵌合面进行接合而成的密闭型电池，其特征在于，
所述电池外装罐与封口体的焊接部截面是从熔融凝固部底面向所述电池外装罐的外侧隆起并将所述电池外装罐与封口体的嵌合线作为顶点的形状，并且所述电池外装罐侧与封口体侧的熔融凝固部形成为其底面处位于与封口体的顶面实质上平行的直线上，并且以到达所述封口体的凸缘的顶面侧的锥形部的方式形成。
2.如权利要求1所述的密闭型电池，其特征在于，
所述电池外装罐及所述封口体由铝或铝合金构成。
3.一种密闭型电池的制造方法，其特征在于，
使用电池外装罐和封口体，
其中，所述封口体具备端子部，并在该封口体的与所述电池外装罐嵌合的嵌合面相反侧的面的一部分上形成有锥形部，所述封口体的凸缘前端部的顶面比根部薄且所述封口体的凸缘前端部的壁厚一定，该锥形部形成为与从所述顶面朝向底部垂直的部分连续且厚度变厚，
并且具备：
将电极体焊接于所述封口体的端子部的工序；
将所述电极体插入所述电池外装罐内，并且以使所述电池外装罐及封口体这二者的顶面位于同一平面上的方式对位的工序；
将焦点对准所述电池外装罐与封口体的嵌合部照射高能量线而焊接的工序。
4.如权利要求3所述的密闭型电池的制造方法，其特征在于，
所述电池外装罐及所述封口体均由铝或铝合金构成，
所述电池外装罐的开口部壁厚为0.2～0.3mm，
所述封口体的凸缘采用总高度为0.2～0.3mm、前端部的壁厚为0.2～0.35mm、高度为0.05～0.15mm、根部的最厚部的壁厚为0.4～0.45mm的凸缘。
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