CN115210941A - 方形二次电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

方形二次电池包括电极体、方形的电池壳体、封口板、集电体以及外部端子，电池壳体收纳有电极体，集电体通过超声波焊接而接合在正极板的端边或负极板的端边，正极板的端边和负极板的端边在封口板的长边方向端部侧延伸，外部端子设置于封口板的外侧且与集电体相连接，封口板具有排气阀和薄壁部，排气阀在电池壳体内的气体压力达到规定值以上时断裂，薄壁部位于外部端子与排气阀之间，薄壁部的厚度比排气阀的厚度厚。

Description

方形二次电池及其制造方法
技术领域
本公开涉及一种方形二次电池及其制造方法。
背景技术
锂离子二次电池等二次电池具有包括正极板和负极板的电极体与电解液一起收纳在电池壳体内的构造。
在专利文献1中公开了一种卷绕后的电极体收纳在方形的电池壳体内的方形二次电池。正极板和负极板的向电极体的卷绕轴方向两端部延伸出的端边(电极箔)分别经由集电体与固定在封口板上的外部端子相连接。在封口板上设置有排气阀，如果在电池内产生的气体的压力超过了规定值，排气阀就会断裂，该气体被排向电池的外部。
专利文献1：日本公开专利公报特开2013－54821号公报
发明内容
作为将正极板和负极板的端边与集电体接合的方法，已知有利用超声波焊接进行接合的方法。超声波焊接是通过一边用焊头(horn)和焊座(anvil)夹住正极板和负极板的端边与集电体，一边向接合面施加由超声波产生的振动能量来进行的。
在谋求高输出化的电池中，为了得到充分的输出特性，需要降低电池的内部电阻。因此，集电体也需要实现低电阻化，该集电体成为从正极板和负极板向外部端子的电流路径。为此，需要增加集电体的厚度。
如果增加集电体的厚度，则在通过超声波焊接将正极板和负极板的端边与集电体接合的情况下，需要增大振动能量。另一方面，集电体与固定在封口板上的外部端子相连接。因此，施加在集电体上的超声波振动经由外部端子和封口板传播到设置在封口板上的排气阀。其结果是，如果进行超声波焊接时的振动能量变大，则排气阀有可能由于经由集电体传播到排气阀的超声波振动而断裂。
本公开所涉及的方形二次电池包括电极体、方形的电池壳体、封口板、集电体以及外部端子，电极体包括正极板和负极板，电池壳体具有开口部且收纳有电极体，封口板封闭开口部，集电体通过超声波焊接而接合在向封口板的长边方向端部侧延伸的正极板或负极板的端边上，外部端子设置于封口板的外侧且与集电体相连接，封口板具有排气阀和薄壁部，排气阀在电池壳体内的气体压力达到规定值以上时断裂，薄壁部位于外部端子与排气阀之间，薄壁部的厚度比排气阀的厚度厚。
本公开所涉及的方形二次电池的制造方法是包括正极板和负极板的电极体收纳在方形的电池壳体内的方形二次电池的制造方法，方形二次电池的制造方法包括：将外部端子和与该外部端子相连接的集电体安装在封口板上的工序，封口板封闭电池壳体的开口部；将集电体通过超声波焊接而接合在向封口板的长边方向端部侧延伸的正极板或负极板的端边上的工序；以及将电极体收纳在电池壳体中，并用封口板封闭电池壳体的开口部的工序，封口板具有排气阀和薄壁部，排气阀在电池壳体内的气体压力达到规定值以上时断裂，薄壁部位于外部端子与排气阀之间，薄壁部的厚度比排气阀的厚度厚。
根据本公开，能够提供一种方形二次电池，其能够吸收在通过超声波焊接将正极板和负极板的端边与集电体接合时，经由集电体向排气阀传播的振动。
附图说明
图1是示意性地示出本公开的一实施方式中的方形二次电池的构成的图，图1的(a)是俯视图，图1的(b)是沿图1的(a)中的Ib－Ib线剖开的剖视图，图1的(c)是沿图1的(b)中的Ic－Ic线剖开的剖视图；
图2是示出通过模拟对超声波振动在封口板中传播时的封口板的变形量进行分析后的结果的图；
图3的(a)、图3的(b)是示出通过模拟对超声波振动在封口板中传播时的封口板的变形量进行分析后的结果的图；
图4是示出对负极集电体施加了超声波振动时的封口板的在厚度方向上的位移与距封口板的中央部的距离之间的关系的曲线图；
图5是示出薄壁部的结构的图，图5的(a)是俯视图，图5的(b)是沿图5的(a)中的Vb－Vb线剖开的剖视图；
图6是示出薄壁部的结构的俯视图；
图7是示出通过模拟求出当改变了设置在外部端子与排气阀之间的薄壁部的位置时施加在排气阀上的应力最大值的变化的结果的图；
图8是说明本实施方式中的方形二次电池的制造方法的图。
具体实施方式
下面，参照附图对本公开的实施方式进行详细的说明。需要说明的是，本发明并不局限于以下实施方式。能够在不脱离产生本公开的效果的范围的范围内，适当地加以改变。
图1是示意性地示出本公开的一实施方式中的方形二次电池的构成的图，图1的(a)是俯视图，图1的(b)是沿图1的(a)中的Ib－Ib线剖开的剖视图，图1的(c)是沿图1的(b)中的Ic－Ic线剖开的剖视图。
如图1的(a)～图1的(c)所示，在本实施方式中的方形二次电池10中，作为发电单元的电极体11与电解液一起收纳在方形的电池壳体20内。电池壳体20的开口部被封口板21封闭。
电极体11呈正极板和负极板以隔板夹在正极板与负极板之间的状态层叠或卷绕而成的结构。在正极板，在正极芯体的表面上设置有正极活性物质层。在负极板，在负极芯体的表面上设置有负极活性物质层。
正极板和负极板分别在封口板21的长度方向端部具有未形成活性物质层的端边12、13。正极板和负极板的端边12、13在被捆束的状态下通过超声波焊接与正极集电体和负极集电体16、17接合。
正极集电体和负极集电体16、17的材料并没有特别限定，但优选分别由与正极芯体和负极芯体相同的材料制成。这样一来，能够容易地进行正极板和负极板的端边12、13与集电体16、17的超声波焊接。例如，在二次电池为锂离子二次电池的情况下，优选正极集电体16由铝或铝合金构成，负极集电体17由铜或铜合金构成。
正极集电体和负极集电体16、17分别与设置在封口板21的外侧的正极外部端子和负极外部端子14、15相连接。外部端子14、15分别通过绝缘部件18、19与封口板21绝缘。
在封口板21上设置有排气阀22。在电池壳体20内的气体压力上升到规定值以上时，排气阀22便断裂而将电池内的气体排出。排气阀22由厚度比封口板21的其他部分薄的薄壁部构成。
在本实施方式中，封口板21在正负外部端子14、15与排气阀22之间具有厚度比排气阀22厚的薄壁部23、24。薄壁部23、24的厚度设定为在电池壳体20内的气体压力上升到规定值以上时不会比排气阀22先断裂的大小。
如上所述，在谋求高输出化的电池中，为了得到充分的输出特性，需要降低电池的内部电阻。因此，为了实现低电阻化，也需要增加集电体16、17的厚度，上述集电体16、17成为从正极板和负极板向外部端子14、15的电流路径。其结果是，随着增加集电体16、17的厚度，将正极板和负极板的端边12、13与集电体16、17超声波焊接时的振动能量变大。
另一方面，在将正极板和负极板的端边12、13与集电体16、17超声波焊接时，施加在集电体16、17上的超声波振动经由外部端子14、15和封口板21传播到设置在封口板21上的排气阀22。其结果是，如果进行超声波焊接时的振动能量变大，则排气阀22有可能由于经由集电体16、17传播到排气阀22的超声波振动而断裂。
在本实施方式中，通过在外部端子14、15与排气阀22之间设置薄壁部23、24，由此，利用薄壁部23、24吸收从外部端子14、15经由封口板21向排气阀22传播的超声波振动。
从集电体16、17传播到外部端子14、15的超声波振动经由封口板21向排气阀22传播。由于设置在封口板21上的薄壁部23、24的厚度比封口板21的其他部分薄，因此薄壁部23、24的弯曲刚度低于封口板21的其他部分。超声波振动的横波是扭转波，因此在封口板21中传播的途中，在弯曲刚度低的部位即薄壁部23、24衰减。其结果是，衰减后的超声波振动传播到排气阀22，因此，不会对排气阀22施加由超声波振动引起的过大的应力。其结果是，能够防止排气阀22因经由集电体16、17传播到排气阀22的超声波振动而断裂。
图2和图3是示出通过模拟对超声波振动在封口板21中传播时的封口板21的变形量进行分析后的结果的图。
图2的(a)是在封口板21上未设置薄壁部的情况的图，图2的(b)以颜色的浓淡程度二维地示出对负极集电体17施加超声波振动时封口板21的在厚度方向上的位移。
图3的(a)是在封口板21上设置有薄壁部23、24的情况的图，图3的(b)以颜色的浓淡程度二维地示出对负极集电体17施加超声波振动时封口板21的在厚度方向上的位移。需要说明的是，薄壁部23布置在排气阀22与外部端子14之间的大致中间点，薄壁部24布置在排气阀22与外部端子15之间的大致中间点。
使用有限元法求解器(ANSYS)的分析模型，采用直接频率响应分析进行了模拟。封口板21由铝(A1050)制成，封口板21的厚度为1.4mm、宽度为11.7mm、长度为119mm。
将薄壁部24的形状设为长圆形状，薄壁部24的厚度为0.1mm、宽度为5.58mm、长度为9mm。对负极集电体17施加的超声波振动的频率为20kHz、振幅为0.03mm。
图4是示出对负极集电体17施加超声波振动时的、封口板21的在厚度方向上的位移与距封口板21的中央部的距离之间的关系的曲线图。此处，厚度方向上的位移表示沿着封口板21的中心线J的位移。
在图4中，箭头P所示的曲线表示未设置薄壁部24时的曲线图，箭头Q所示的曲线表示设置有薄壁部24时的曲线图。
如图4所示，可以看出：在封口板21的中央部与薄壁部24之间的区域A中，设置有薄壁部24的情况(曲线Q)下，与未设置薄壁部24的情况(曲线P)相比，封口板21的在厚度方向上的位移大幅减少。也就是说，可以看出：通过在封口板21上设置薄壁部24，由此，利用薄壁部24吸收从外部端子15经由封口板21向排气阀22传播的超声波振动。
在本实施方式中，薄壁部23、24对超声波振动的吸收效果依赖于封口板21的弯曲刚度的降低程度。因此，为了得到充分的吸收效果，在将封口板21的厚度设为T、将薄壁部23、24的厚度设为t时，优选至少为t≤0.8T，更优选为t≤0.5T。
此外，如果使薄壁部23、24的厚度过薄，则在电池内的气体压力上升时，封口板21在薄壁部23、24弯曲，其结果是，有可能电池壳体20发生变形。因此，薄壁部23、24的厚度t优选为0.2T≤t。需要说明的是，排气阀22的厚度通常设定为封口板21的厚度的1/10以下，因此，即使将薄壁部23、24的厚度t设定为0.2T，薄壁部23、24也不会比排气阀22先断裂。
需要说明的是，在薄壁部23、24的厚度不均匀的情况下，将最薄的部分的厚度定义为薄壁部23、24的厚度。此外，在排气阀22的厚度不均匀的情况下，将最薄的部分的厚度定义为排气阀22的厚度。
在本实施方式中，薄壁部23、24的形状并没有特别限定。图5是示出薄壁部23、24之一例的图，图5的(a)是俯视图，图5的(b)是沿图5的(a)中的Vb－Vb线剖开的剖视图。薄壁部23、24形成为沿封口板21的宽度方向延伸的长圆状。这种形状的薄壁部23、24例如能够通过冲压加工而形成。薄壁部23、24也可以按照在封口板21的宽度方向上被分割成多个部分的方式设置。此外，薄壁部23、24也可以在外部端子14、15与排气阀22之间设置有多个。
此外，如图6所示，薄壁部24(在此，仅示出负极侧的薄壁部)的在封口板21的宽度方向上的长度W优选比排气阀22的在封口板21的宽度方向上的长度L长。通过在从外部端子15侧观察时位于排气阀22的跟前侧的位置上设置宽度比排气阀22大的薄壁部24，由此，薄壁部24起到对向排气阀22传播的超声波振动的防波堤的作用。由此，能够更有效地使向排气阀22传播的超声波振动衰减。
图7是示出通过模拟求出在改变了设置在外部端子14、15与排气阀22之间的薄壁部23、24的位置时施加在排气阀22上的应力最大值的变化的结果的曲线图。
图7的(a)是示出薄壁部24的布置位置的图，将排气阀22的端部与绝缘部件19的端部之间的距离设为H’，将排气阀22的端部与薄壁部24之间的距离设为h。此处，薄壁部24布置在排气阀22的端部与绝缘部件19的端部之间。
图7的(b)是示出改变了h/H’时施加在排气阀22上的应力最大值的变化的曲线图。需要说明的是，模拟的条件与图2和图3所示的条件相同。此外，箭头S所示的线表示未设置薄壁部24时的应力最大值。
如图7的(b)所示，可以看出：在满足h/H≥0.2的范围内，设置了薄壁部24时施加在排气阀22上的应力最大值小于未设置薄壁部24时施加在排气阀22上的应力最大值。
另一方面，能够认为：如果薄壁部24的位置过于接近排气阀22(h/H＜0.2)，则原本弯曲刚度低的排气阀22和薄壁部24作为弯曲刚度低的部位被同化，因此设置薄壁部24所带来的效果减弱，其中，薄壁部24是作为弯曲刚度低的部位有意设置的。
此外，如果薄壁部24的位置过于接近绝缘部件19(h/H’＞0.8)，则难以在封口板21上例如通过冲压加工来形成薄壁部24。
因此，在将排气阀22与绝缘部件18、19之间的距离设为H’、将排气阀22与薄壁部23、24之间的距离设为h时，薄壁部23、24优选布置在满足h/H’≥0.2的位置上。此外，从薄壁部23、24的成形性的观点出发，优选h/H’≤0.8。
需要说明的是，上述模拟是将排气阀22的端部与绝缘部件19的端部之间的距离设为H’来进行的，但如图7的(a)所示，即使将排气阀22的端部与外部端子15的端部之间的距离设为H，也得到与图7的(b)相同的结果。
接着，参照图8，说明本实施方式的方形二次电池的制造方法。
首先，如图8的(a)所示，将外部端子14、15和与外部端子14、15相连接的集电体16、17安装在封口板21上，上述封口板21封闭电池壳体20的开口部。在封口板21上预先形成有排气阀22和薄壁部23、24。
接着，如图8的(b)所示，将电极体11布置在正极板和负极板的端边12、13与集电体16、17重叠的位置上，并通过通常的方法在焊接部位40、41对正极板和负极板的端边12、13与集电体16、17之间进行超声波焊接。此时，由于在封口板21上设置有薄壁部23、24，因此从集电体16、17经由外部端子14、15和封口板21向排气阀22传播的超声波振动被薄壁部23、24吸收。其结果是，在将正极板和负极板的端边12、13与集电体16、17超声波焊接时，能够防止排气阀22断裂。
最后，如图8的(c)所示，在将已安装在封口板21上的电极体11收纳在方形的电池壳体20中后，将封口板21焊接在电池壳体20的开口周缘，由此完成方形二次电池的制造。
以上，结合优选实施方式说明了本公开，但这些表述并非限定事项，当然能够进行各种变更。
本实施方式的方形二次电池的种类并不特别限定，例如能够用于锂离子二次电池、镍氢二次电池等中。
－符号说明－
10 方形二次电池
11 电极体
12 封口板
12、13 正极板和负极板的端边
14、15 外部端子
16、17 集电体
18、19 绝缘部件
20 电池壳体
21 封口板
22 排气阀
23、24 薄壁部

Claims (5)

1.一种方形二次电池，其包括电极体、方形的电池壳体、封口板、集电体以及外部端子，
所述电极体包括正极板和负极板，
所述电池壳体具有开口部且收纳有所述电极体，
所述封口板封闭所述开口部，
所述集电体通过超声波焊接而接合在向所述封口板的长边方向端部侧延伸的所述正极板或所述负极板的端边上，
所述外部端子设置于所述封口板的外侧且与所述集电体相连接，
所述方形二次电池的特征在于：
所述封口板具有排气阀和薄壁部，
所述排气阀在所述电池壳体内的气体压力达到规定值以上时断裂，
所述薄壁部位于所述外部端子与所述排气阀之间，所述薄壁部的厚度比所述排气阀的厚度厚。
2.根据权利要求1所述的方形二次电池，其特征在于：
在将所述封口板的厚度设为T、将所述薄壁部的厚度设为t时，满足0.2T≤t≤0.8T。
3.根据权利要求1所述的方形二次电池，其特征在于：
在将所述排气阀的端部与所述外部端子的端部之间的距离设为H、将所述排气阀的端部与所述薄壁部的端部之间的距离设为h时，满足h/H≥0.2。
4.根据权利要求1所述的方形二次电池，其特征在于：
所述薄壁部的在所述封口板的宽度方向上的长度比所述排气阀的在所述封口板的宽度方向上的长度长。
5.一种方形二次电池的制造方法，在所述方形二次电池中，包括正极板和负极板的电极体收纳在方形的电池壳体内，
所述方形二次电池的制造方法的特征在于：包括：
将外部端子和与该外部端子相连接的集电体安装在封口板上的工序，所述封口板封闭所述电池壳体的开口部；
将所述集电体通过超声波焊接而接合在向所述封口板的长边方向端部侧延伸的所述正极板或所述负极板的端边上的工序；以及
将所述电极体收纳在所述电池壳体中，并用所述封口板封闭所述电池壳体的开口部的工序，
所述封口板具有排气阀和薄壁部，
所述排气阀在所述电池壳体内的气体压力达到规定值以上时断裂，
所述薄壁部位于所述外部端子与所述排气阀之间，所述薄壁部的厚度比所述排气阀的厚度厚。
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