CN1979920A - 密闭型电池的制造方法及密闭型电池 - Google Patents

Abstract

提供一种在电池外装罐的开口部处嵌合的封口板通过激光等高能量线而被焊接的、焊接部的抗断强度大的密闭型电池制造方法以及通过该制造方法制造的密闭型电池。本发明的密闭型电池的制造方法包括：第一步骤，使用具有开口部的外装罐(15)、和在与所述外装罐(15)的嵌合面整周或其一部分形成了槽(22)的封口板(16)，按照所述外装罐(15)与所述封口板(16)的凸缘部的顶面彼此成为近似同一平面的方式，将封口体(16)插入到所述外装罐(15)的开口部；和第二步骤，在所述外装罐(15)的开口部与封口板(16)的嵌合部照射高能量线进行焊接。

Description

密闭型电池的制造方法及密闭型电池

技术领域

本发明涉及密闭型电池的制造方法以及通过该制造方法而制造的密闭型电池，尤其涉及在电池外装罐的开口部处嵌合的封口板通过激光等高能量线而被焊接的、焊接部的抗断强度大的密闭型电池制造方法以及通过该制造方法制造的密闭型电池。

背景技术

随着便携式电子设备的迅速普及，对其所使用的电池的要求规格也逐年严格，尤其要求采用小型、薄型化、高容量且循环特性出色、性能稳定的电池。而且，在二次电池领域，作为与其他的电池相比能量密度高的镍氢电池和锂非水电解质二次电池倍受瞩目，这些二次电池的占有比率在二次电池市场中具有很大的发展空间。

可是，在使用这种二次电池的设备中，由于收容电池的空间大多为方形(扁平的箱形)，所以，很多情况下使用的是将发电要素收容于方形外装罐来进行密闭的密闭型二次电池。参照附图，对这样的方形密闭型二次电池的一个例子进行说明。

图5是将作为以往所制造的方形密闭型二次电池的锂非水电介质二次电池沿纵方向切断而表示的立体图。该密闭型二次电池10是将隔着隔膜13卷绕正极板12和负极板11的扁平状的蜗旋状电极体14，收容于方形的电池外装罐15的内部，并利用封口板16密封方形电池外装罐15的电池。

扁平状的蜗旋状电极体14按照正极板12位于最外周而露出的方式被卷绕，露出的最外周的正极板12，与兼做正极端子的方形电池外装罐15的内部直接接触，由此进行电连接。另外，负极板11形成于封口板16的中央处，通过集电体19与经由绝缘体17而安装的负极端子18电连接。

而且，由于方形的电池外装罐15与正极板12电连接，所以，为了防止负极板11与方形的电池外装罐15发生短路，通过在扁平状的蜗旋状电极体14的上端与封口板16之间插入绝缘垫圈20，使负极板11与方形的电池外装罐15处于电绝缘状态。

该方形的非水电介质二次电池通过下述方法而制成，即，在将扁平状的蜗旋状电极体14插入到方形的电池外装罐15内之后，将封口板16激光焊接到方形的电池外装罐15的开口部，然后，从电解液注入孔21注入非水电解液，并密闭该电解液注入孔21。这样，由于激光焊接封口板16将其固定于方形外装罐的方法，可以起到不降低容积效率地对方形外装罐的开口部进行封闭的效果，因此被广泛应用。

如果上述那样的通过将封口板激光焊接于方形外装罐来制造方形的密闭型电池的方法，特别是使用热传导良好的铝或铝合金形成方形外装罐和封口板，则具有可以使方形电池显著轻量化的优越特长，但是，由于在封口板与方形外装罐的焊接部分容易产生裂纹，所以，也会显著降低产品的成品率。参照图6，对这样的容易在封口板与方形外装罐的焊接部分产生裂纹的原因进行说明。其中，图6是表示下述专利文献1所公开的将封口板激光焊接于方形电池的外装罐的现有方法的剖视图，对于和上述方形的密闭型二次电池相同的构成部分赋与同一参照符号来进行说明。

如果在方形电池的外装罐15的内侧设置封口板16，并对其边界照射激光，则由虚线表示的区域的铝等金属被加热至大约1000℃，处于熔化状态而被熔敷。如果方形外装罐15和封口板16使用铝金属，则由该虚线表示的熔融部分的深度大约为0.2～0.3mm。在该被加热熔化的金属中，热沿着箭头所示的方向传导而该金属被冷却、硬化。向箭头方向传导的热从方形外装罐15和封口板16的表面散热，但是，在方形外装罐15的角落处由于会高效放热，所以，温度降低。由于热有效地向温度低的部分传导，所以，熔融部分的热会沿着箭头A所示的方向更加有效地传递。因此，熔融部分从外侧开始被冷却，按照a区域、b区域、c区域的顺序硬化，如箭头B所示，硬化区域从外侧向内侧扩展。

金属具有冷却硬化时体积收缩的性质。因此，由于在熔融部分的外侧部分硬化时体积收缩，所以，处于熔融状态的内侧部分的金属会向外侧移动。然后，由于熔融部分的内侧在硬化时体积会收缩，并且熔融的金属的一部分向外侧移动，所以受到被拉伸的内部应力的作用，在抗拉强度弱的边界产生裂纹。这种在方形外装罐15和封口板16之间产生裂纹的现象，由于在方形外装罐15的角落部分从表面有效地散热，所以十分显著。另外，上述的裂纹产生等问题点，不仅在激光焊接方形外装罐和封口板的情况下发生，在激光焊接圆形的外装罐和封口板的情况下、和替代激光焊接而使用电子束进行焊接的情况下也会产生同样的问题点。

因此，在下述专利文献1所公开的方形密闭型电池的制造方法的发明中，如图7所示，以规定角度α切除方形外装罐15的边缘部作为散热除去部15’，通过从方形外装罐15的边缘使散热效率降低，来减少方形外装罐15与封口板16之间的裂纹产生。该情况下，由于方形外装罐15的热传导率远远大于空气的热传导率，所以，熔融部分的热如箭头C所示，其散热方向朝向下方。由于如该箭头C所示的向下方传导的热，由剖面线所示的区域F部分的温度变高，所以，箭头D、E所示方向的热传导减少。因此，图6所示的方形外装罐15和封口板16从熔融部分的外周开始被冷却硬化的比例减少，熔融部分缓慢冷却，所以在方形外装罐15和封口板16的交界处形成的裂纹变得极少。

专利文献1：特开平8-77983号公报(权利要求、[0018]～[0022]段落、图2～图4)

专利文献2：特开平9-92248号公报(权利要求、[0042]～[0062]段落、图1、图6)

可是，根据上述专利文献1所公开的方形密闭型电池，虽然通过以规定角度α切除方形外装罐15的边缘部而形成散热除去部15’，减少了焊接部的裂纹产生，但是与不切除方形外装罐15的边缘的情况相比，焊接部的强度没有特别变大。

本申请的发明人为了探求即使在这种切除了方形外装罐15的边缘部时焊接部的强度也不足够的原因，而反复进行各种实验，其结果得出了下述结果，即，由于(1)一般而言，封口板的厚度大多比外装罐的嵌合部的厚度厚，(2)为了使得排气阀与负极端子部的加工变得容易，封口板使用了比外装罐柔软且热传导率良好的材料，所以对于封口板侧而言热容易逃逸，与外装罐侧相比难以熔化，因此，如果封口板侧和外装罐侧的熔化情况相对接合面不同，则难以得到足够的熔化深度，无法得到足够的接合强度。

若要解决上述的问题点，则只要减少向封口板侧逃逸的热即可，所以本申请的申请人通过在封口板与外装罐的接合面设置规定大小的槽，连同该槽部分利用激光等高能量线使其熔融、来进行焊接，由此得以解决，完成了本发明。即，本发明涉及在电池外装罐的开口部处嵌合的封口板通过激光等高能量线而被焊接的、焊接部的抗断强度大的密闭型电池制造方法以及通过该制造方法制造的密闭型电池。

另外，上述专利文献2中公开了一种，在封口板的与外装罐的接合面上设置规定大小的槽，并以残留槽部分的状态激光焊接比槽部分靠近顶面侧的封口板与外装罐的接合面，来制造密闭型电池的方法，但是，在上述专利文献2所公开的发明中，由于在密闭型电池的内压上升之际会从该焊接的槽部分开始受到破坏，即产生所谓的开裂阀作用，所以，与本发明的课题、构成完全不同。

发明内容

为了实现上述目的，本申请的技术方案1所涉及的密闭型电池的制造方法的发明包括：

第一步骤，使用具有开口部的外装罐、和在与所述外装罐的嵌合面整周或其一部分形成了槽的封口板，按照所述外装罐与所述封口板的凸缘部的顶面彼此成为近似同一平面的方式，将封口体插入到所述外装罐的开口部；和

第二步骤，对所述外装罐的开口部与封口板的嵌合部照射高能量线进行焊接。

而且，技术方案2所涉及的发明，其特征在于，在技术方案1所记载的密闭型电池的制造方法中，所述封口板预先与电极体连接，在所述第一步骤中，同时将所述电极体插入到所述外装罐内。

并且，第三技术方案的发明，其特征在于，在技术方案1所述的密闭型电池的制造方法中，所述槽离顶面的距离H为0.10～0.20mm，宽度W为0.10～0.20mm，深度D为0.10～0.15mm，向顶面方向的上升角度θ为0°～60°。

另外，技术方案4所涉及的发明，其特征在于，在技术方案1～3任意一项所记载的密闭型电池的制造方法中，所述高能量线由激光或电子束构成。

并且，本申请的技术方案5所涉及的密闭型电池的发明，其特征在于，

封口板嵌合在外装罐的开口部，所述嵌合面以及其周缘通过高能量线被焊接形成了熔融凝固部，

所述熔融凝固部的从所述外装罐外表面到所述封口板为止的距离成为最短的纵剖面，是从所述熔融凝固部的最深部向所述外装罐的外方隆起为山状的形状，所述熔融凝固部的最深部存在于所述外装罐与所述封口板的嵌合位置或比所述外装罐靠向所述封口板侧。

而且，技术方案6所涉及的发明，其特征在于，在技术方案5所记载的密闭型电池中，在所述纵断面的所述封口板侧的熔融凝固部与未熔融部的交界处存在拐点。

本发明通过采用上述的制造方法，可起到如下所述的优越效果。即，根据技术方案1所涉及的发明，由于通过在封口板设置槽使得形状上产生了不连续部，当在外装罐与封口板之间照射高能量线时，减少了向封口板侧逃逸的热，所以，封口板侧的熔化增加，在封口板侧的熔融部分与外装罐侧的熔融部分之间得到了足够的熔化深度，可以制造能够得到足够接合强度的密闭型电池。并且，根据技术方案1的发明，由于设置在封口板的槽被熔融金属填充，所以，减少了残留应力，产生了封口板-熔融金属-外装罐的强力结合，因此，可以制造焊接部的强度进一步提高了的密闭型电池。

而且，根据技术方案2所涉及的发明，由于通过使预先插入到外装罐内的电极体与封口板连接，不需要在将封口板焊接到外装罐之后进行与电极体的电连接，所以，密闭型电池的制造变得容易。

并且，根据技术方案3所涉及的发明，显著出现了技术方案1所涉及的发明的效果。该情况下，如果槽离顶面的距离H小于0.10mm，则由于槽会瞬间被填充，所以，不能显现所谓散热部除去的槽的功能，在外装罐与封口板之间不产生基于熔融金属的强大结合力，另外，如果槽离顶面的距离H超过0.20mm，则由于因高能量线而引起的热不向槽的下部传递，所以，在封口板与外装罐之间不产生基于熔融金属的强大结合力，因此不优选。

此外，如果槽的宽度W小于0.10mm，则在外装罐与封口板之间不产生基于熔融金属的强大结合力；另外，如果槽的宽度W为0.20mm以上，则高能量线在照射面的斑点直径大约为0.6mm左右，由于在槽的位置中进一步变小以及外装罐的壁厚通常薄至0.20～0.30mm，所以，槽不会被熔融金属填充，导致强度提升效果降低，因此，不优选。

另外，如果槽的深度D小于0.10mm，则不显现所谓散热部除去的槽的功能，在外装罐与封口板之间不产生基于熔融金属的强大结合力；而且，如果槽的深度D超过0.15mm，则由于由高能量线引起的热不传递到槽的内部，所以，熔融金属不侵入到槽的里面，导致强度提升效果降低，因此不优选。

并且，即使槽向顶面方向的上升角度θ为0°(水平状态)，也可以起到所期望的效果，但是，如果槽向顶面方向的上升角度θ与基于高能量线而产生的热的分布方向平行靠近，则散热部除去效果表现得大。最佳值根据封口板材料、封口板凸缘宽度、外装罐壁厚、高能量线输出等而不同，但是向顶面方向的上升角度θ在0°～60°之间具有优选的结果，如果θ超过60°，则熔融金属不会侵入到槽的内部，导致强度提升效果降低，因此不优选。

而且，根据技术方案4所涉及的发明，惯于采用激光和电子束作为焊接用高能量线，由此，可得到焊接部的可靠性以及品质良好的方形电池。

并且，根据技术方案5和6所涉及的发明，封口板-熔融金属-外装罐的结合加强，可得到焊接部的强度提高了的密闭型电池。另外，通过技术方案1～4中任意一项所述的密闭型电池的制造方法而制造的密闭型电池，是具备技术方案5和6所涉及的构成的密闭型电池。

附图说明

图1A是相当于实施例的封口板的俯视图，图1B是图1A的侧视图，图1C是图1A的IC-IC线剖视图。

图2是用于说明封口板的各部形状的局部放大剖视图，图2A是表示槽向顶面方向的上升角度θ＝0°(水平状态)时的图，图2B是表示槽向顶面方向的上升角度θ＞0°时的图。

图3是表示槽的有无和焊接后的熔融部分的形状之间的关系的图，图3A是相当于实施例的θ＝0°(水平状态)的情况，图3B是相当于相同实施例的θ＞0°的情况，图3C是相当于现有例的没有设置槽的情况的图。

图4是表示对外装罐和封口板的接合面照射激光时的同一温度分布线的图，图4A相当于设置有槽的实施例的情况，图4B是相当于没有设置槽的现有例的情况的图。

图5是表示沿纵方向切断作为现有例的方形密闭型二次电池的锂非水电介质二次电池的立体图。

图6是表示将封口板激光焊接于方形电池的外装罐的现有方法的剖视图。

图7是表示将设置了散热除去部的封口板激光焊接于方形电池的外装罐的现有方法的剖视图。

图中：10-非水电解质二次电池，11-负极板，12-正极板，13-隔膜，14-蜗旋状电极体，15-外装罐，16-封口板，17-绝缘体，18-负极端子，21-电解液注入孔，22-槽，23-凸缘部。

具体实施方式

参照图1～图3和各实验例，以使用了方形密闭型电池以及作为高能量线的激光的情况为例，详细说明用于实施本申请发明的最佳方式。但是，下面所示的实验例只是用于将本发明的技术思想具体化的一个例子，本发明不限定于该实验例，只要不脱离专利申请的范围所表述的技术思想，可以进行各种的变更，例如在使用圆形的密闭型电池或作为高能量线采用了电子线的情况等，也可以应用本发明。

另外，图1A是相当于实施例的封口板的俯视图，图1B是图1A的侧视图，图1C是图1A的IC-IC线剖视图。而且，图2是用于说明封口板的各部形状的局部放大剖视图，图2A是表示槽向顶面方向的上升角度θ＝0°(水平状态)时的图，图2B是表示槽向顶面方向的上升角度θ＞0°时的图。图3是表示槽的有无和焊接后的熔融部分的形状之间的关系的图，图3A是相当于实施例的槽向顶面方向的上升角度θ＝0°(水平状态)的情况，图3B是相当于相同实施例的槽向顶面方向的上升角度θ＞0°的情况，图3C是相当于现有例的没有设置槽的情况的图。图4是表示对外装罐和封口板的接合面照射激光时的同一温度分布线的图，图4A相当于设置有槽的实施例的情况，图4B是相当于没有设置槽的现有例的情况的图。另外，在这些方形密闭型电池中，对与图5所示的现有例的方形密闭型电池相同的构成部分赋与同一参照符号来进行说明。

[实验例]

首先，对各实施例以及比较例公用的实验方法进行说明。作为实施例1～4所涉及的方形密闭型电池的封口板16，如图1A～1C所示，采用了由纯铝构成的近似长方形的封口板16。该封口板16，其在周缘具有凸缘部23，在中央部设置有通过绝缘体17而安装的负极端子18，并具备电解液注入孔21，而且在其侧面具备遍布整周通过切削加工而形成的槽22。在下面的实施例中，对于槽22如图2A所示向凸缘23的顶面方向的上升角度θ＝0°(实施例1、2以及4。参照图2A。)的情况和θ＝45°(实施例3。参照图2B)的情况，分别改变封口板的外径尺寸、槽尺寸来进行实验。另外，作为比较例1～3的封口板，除了不具备槽之外，全部使用了与对应实施例的封口板相同的材料且同尺寸的封口板。

将在这些实施例1～4以及比较例1～3中所使用的封口板16，如图3的上侧所示，分别预先安装在壁厚0.20mm的规定尺寸的外装罐15的开口内缘，分别作成15个不使用电极体和电解液的虚拟电池，接着，利用激光从凸缘部23的顶面侧遍布周方向整体焊接封口板16与电池外装罐15的接合面。对于焊接后的各虚拟电池的各自10个，垂直地切断负极端子18的侧面，测定在该断面处的熔融凝固部的焊接深度Wd。

另外，该断面相当于熔融凝固部的从外装罐15的外表面到所述封口板16的距离为最短的纵断面，熔融凝固部的断面形状如在图3A～图3C的下侧以斜线表示的部分那样，分别表示不同的形状，成为从外装罐15的外方隆起为山状的形状。而且，在具有槽的实施例1～4中，分别如图3A和图3B的下侧所示，熔融凝固部的最深部存在于外装罐15和封口板16的嵌合位置或封口板16侧，在向顶面方向的上升角度θ＝0°的情况下，熔融凝固部的最深部从外装罐15与封口板16的嵌合位置到外装罐的外侧实质上成为同一深度而存在。与之相对，在没有槽的比较例1～3中，如图3C的下侧所示，熔融凝固部的断面形状在外装罐的外缘侧最深。

焊接深度Wd如图3A～图3C的各自下侧所示，表示熔融凝固部在嵌合部的顶点与最深部的距离。而且，分别针对剩余的5个虚拟电池，利用前端的直径φ＝3mm的圆棒加压负极端子18，测定激光焊接部或封口板断裂时的负载，来测定压力强度。另外，针对实施例3、4以及比较例3还测定压力强度测定时的位移。将结果与各封口板的外径尺寸、槽尺寸、槽向顶面方向的上升角度θ一同归纳于表1中。

【表1】

(测定值表示平均值，括号内的数值表示最小值和最大值)

分别对比封口板尺寸为同值的实施例1和比较例1以及实施例2和比较例2的结果，实施例1和2的焊接深度Wd以及压力强度都比比较例1和2大，由此可以确认焊接强度上升了。如果同样对封口板尺寸相同的实施例3、4以及比较例3的结果进行对比，则与比较例3相比，实施例3和4的焊接深度Wd、压力强度、断裂时位移都大。此时的断裂位置，相对于在比较例3中是在焊接凝固部的中间(外装罐15与封口板16的交界部)断裂，在实施例3以及4中由于焊接凝固部的强度大，所以，以外装罐15与封口板16结合的状态发生变形，最终在封口板16与熔融凝固部的交界部处断裂。而且，如果对比实施例3和实施例4的结果，则槽朝向顶面方向的上升角度θ＝45°的实施例3与θ＝0°的实施例4相比，焊接深度Wd、压力强度、断裂时位移都大。

因此，与封口板的尺寸无关，如果在封口板的周围设置槽，则焊接深度Wd、压力强度都比不设置槽的情况大，使得焊接部的强度变大。另外，在设置槽的情况下，以具有槽向顶面方向的上升角度θ(θ＞0°)的状态发生倾斜的情况，比不倾斜(θ＝0)的情况焊接强度大。

产生这种现象的理由推定如下。即，如图4A和图4B所示，如果激光焊接外装罐15和封口板16的接合面，则因激光的照射而产生的热会沿着与由虚线表示的等温线垂直的方向传递。此时，如果在封口板16的周围不存在槽，则由于封口板16的热传导率良好，所以，封口板16侧容易逃逸热，与外装罐15侧相比难以熔化，因此，鉴于封口板16侧和外装罐15侧的熔化情况相对接合面不同，所以，在嵌合部无法得到足够的熔化深度，导致焊接强度变小。

与之相对，当在封口板16的周围设置了槽22时，如图4A所示，由于该槽具有散热部除去作用，所以，向封口板侧逃逸的热减少，封口板侧的熔化增加，封口板16侧和外装罐15侧的熔化情况相对接合面实质上相同，所以，焊接强度变强。并且，由于该槽22由熔融金属填补，所以，在封口板16的周围设置槽22的情况如图3A和图3B所示，在封口板16侧的熔融凝固部的断面形状产生了拐点X，并且，熔融凝固部的最深部产生于封口板16侧。因此，基于该拐点X的存在的有无以及熔融凝固部的最深部的位置，可以判别焊接前是否在封口板16的周围设置了槽22。

另外，对于在封口板16的周围设置的槽22的位置以及大小而言，如果槽离顶面的距离H小于0.10mm，则由于槽被熔融的金属瞬间填补，所以，没有显现所谓散热部除去的槽的功能，在外装罐与封口板之间不会产生基于熔融金属的强大结合力，另外，如果超过0.20mm，则由于由高能量线引起的热不向槽的下部传递，所以，在外装罐与封口板之间不产生基于熔融金属的强大结合力，因此，优选为0.10～0.20mm。

而且，如果槽的宽度W小于0.10mm，则在外装罐与封口板之间不产生基于熔融金属的强大结合力；另外，如果是0.20mm以上，则高能量线在照射面的斑点直径大约为0.6mm左右，在槽的位置处会进一步变小以及外装罐的壁厚通常薄至0.20～0.30mm左右，所以，槽不会被熔融金属填充，导致强度提升效果降低，因此，优选0.10mm～0.20mm。

并且，如果槽的深度D小于0.10mm，则不会显现所谓散热部除去的槽的功能，在外装罐与封口板之间不产生基于熔融金属的强大结合力；另外，如果超过0.15mm，则由于高能量线引起的热不会传递到槽的内部，所以，熔融金属不会侵入到槽的里面，导致强度提升效果降低，因此，优选0.10～0.15mm。

此外，虽然槽朝向顶面方向的上升角度θ在为0°(水平状态)时也发挥所期望的效果，但是如果θ平行靠近由高能量线产生的热的分布方向，则散热部除去效果表现为大，而且，如果θ超过60°，则熔融金属不会侵入到槽的内部，导致强度提升效果降低，因此，优选0°～60°。

另外，在上述实施例中，举例说明了采用激光焊接法作为焊接方法，但是，不限定于此，也可以使用公知的高能量线，例如电子束焊接法。而且，在上述实施例中，举例说明了遍布封口板的整周设置槽，但也可以断续设置。

Claims (6)

1、一种密闭型电池的制造方法，包括：

第一步骤，使用具有开口部的外装罐、和在与所述外装罐的嵌合面整周或其一部分形成了槽的封口板，按照所述外装罐与所述封口板的凸缘部的顶面彼此成为近似同一平面的方式，将封口体插入到所述外装罐的开口部；和

第二步骤，对所述外装罐的开口部与封口板的嵌合部照射高能量线进行焊接。

2、根据权利要求1所述的密闭型电池的制造方法，其特征在于，所述封口板预先与电极体连接，在所述第一步骤中，同时将所述电极体插入到所述外装罐内。

3、根据权利要求1所述的密闭型电池的制造方法，其特征在于，所述槽离顶面的距离H为0.10～0.20mm，宽度W为0.10～0.20mm，深度D为0.10～0.15mm，向顶面方向的上升角度θ为0°～60°。

4、根据权利要求1～3中任意一项所述的密闭型电池的制造方法，其特征在于，所述高能量线由激光或电子束构成。

5、一种密闭型电池，其特征在于

封口板嵌合在外装罐的开口部，所述嵌合面以及其周缘通过高能量线被焊接而形成了熔融凝固部，

所述熔融凝固部的从所述外装罐外表面到所述封口板为止的距离成为最短的纵剖面，是从所述熔融凝固部的最深部向所述外装罐的外方隆起为山状的形状，所述熔融凝固部的最深部存在于所述外装罐与所述封口板的嵌合位置或比所述外装罐靠向所述封口板侧。

6、根据权利要求5所述的密闭型电池，其特征在于，在所述纵断面的所述封口板侧的熔融凝固部与未熔融部的交界处存在拐点。

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