JP2005011673A - 密閉型電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】低コストで信頼性の高い防爆機構を有する密閉型電池を提供する。
【解決手段】密閉円筒型リチウムイオン二次電池は、電池缶内の中央に収容された電極捲回群を備えており、電極捲回群の上部には上蓋が配置されている。上蓋は皿状のダイヤフラム2を有しており、ダイヤフラム2の中央の平面部と接続板6の中央の平面部とが、ダイヤフラム2に沿った扁平ドーナツ形状のスプリッタ4を狭持して、電気的・機械的に接続板6側から摩擦攪拌接合されて、接合部7が形成されている。接合の安定性を向上させて一定の作動圧で防爆装置を確実に作動させる。
【選択図】 図2

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、密閉型電池に係り、特に、中央に平面部を有する皿状の導電性ダイヤフラムと、上方に突起が形成され該突起の中央に平面部を有する導電性接続板とが平面部同士で電気的・機械的に接続された防爆機構を備える密閉型電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、密閉型電池は家電製品に汎用されており、最近では、密閉型電池の中でも特にリチウム電池が数多く用いられるに至っている。リチウム電池はエネルギ密度が高いことから、電気自動車(EV)又はハイブリッド車(HEV)の車載電源としても開発が進められている。しかし、密閉型電池は充電装置の故障などによって過充電状態に陥ると、電池内圧が極端に上昇することがある。このため、ダイヤフラム(防爆弁)と、ダイヤフラムより電池の内側に配置され薄肉部を有するリード板取付部材とが接合された防爆機構を有する電池が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この電池では、電池内圧が上昇した場合に、ダイヤフラムとリード板取付部材との接合部又は薄肉部が剥離又は破断することで電流が遮断される。
【0003】
リチウム電池で防爆機構を正極側に組込む場合は、一般にアルミニウム合金製のダイヤフラムとリード板取付部材とが用いられており、ダイヤフラム及びリード板取付部材の接合には、例えば抵抗溶接やレーザ溶接が採用されている。
【0004】
【特許文献1】
特開平第7−105933号公報(図1、段落番号「0015」〜「0020」)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献1の技術では、電流を遮断する際に、ダイヤフラムの側が破断すると、破断部から電池内部のガスや電解液が漏出することがあるため、リード板取付部材の剥離又は破断を確保する必要があり、リード板取付部材に予め薄肉部を形成する必要があるのでコスト高となる、という問題がある。
【0006】
また、ダイヤフラム及びリード板取付部材の接合に抵抗溶接を採用する場合は、アルミニウム合金の表面に生成される酸化皮膜の影響を受けて接合が不安定になりやすく、品質の維持が困難である。
【0007】
更に、大きな充放電電流が流れる電池の場合では、抵抗溶接によって生成するナゲットを大きくする必要があるが、ナゲットの大きさは接合する板の厚さによって限界があるので、大きな充放電流が流れる電池には採用できない、という問題がある。レーザ溶接を採用する場合は多数のパルスで接合することによって大電流にも対応できるが、アルミニウム合金の表面はレーザ光の反射率が高いため効率が低い上、表面状態によって吸収されるエネルギが変動するため、抵抗溶接と同様に、接合が不安定になりやすく接合装置が高価なため低コスト化が困難である、という問題がある。
【0008】
本発明は、上記事案に鑑み、低コストで信頼性の高い防爆機構を有する密閉型電池を提供することを課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、中央に平面部を有する皿状の導電性ダイヤフラムと、上方に突起が形成され該突起の中央に平面部を有する導電性接続板とが前記平面部同士で電気的・機械的に接続された防爆機構を備えた密閉型電池であって、前記平面部同士は、摩擦攪拌接合によって前記接続板側から接合されている。
【0010】
本発明では、ダイヤフラムと接続板との平面部同士は、摩擦攪拌接合によって接合されているので、塑性流動による結晶の微細化が生じ、接合の安定性が向上し防爆機構の作動圧が一定の信頼性の高い防爆機構を得ることができると共に、平面部同士が接続板側から摩擦攪拌接合されているので、薄肉の接続板を用いることで、接合時とは別に薄肉部を形成する必要がないため、低コスト化を図ることができる。
【0011】
この場合において、接続板の摩擦攪拌接合によって接合された近傍の板厚をダイヤフラムの厚さより小さくすれば、電池内圧上昇時に接続板の摩擦攪拌接合によって接合された近傍が破断するので、電池内容物の漏出を防止することができる。また、ダイヤフラム及び接続板の平面部同士を円形状に接合すれば、接合面積を大きくすることができるので、大電流用とすることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明が適用可能な密閉円筒型リチウムイオン二次電池の実施の形態について説明する。
【0013】
図1に示すように、本実施形態の密閉円筒型リチウムイオン二次電池30(以下、二次電池30と略称する。)は、電極捲回群11を備えている。電極捲回群11は、負極端子を兼ねる有底円筒状の電池缶15内の中央に収容されており、正極板と負極板とをポリエチレン製微多孔薄膜のセパレータを介してガラス入り樹脂製軸芯の周りに捲回されている。
【0014】
正極は、スピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物(LiMnO、LiMn)又は層状岩塩型構造を有するLiMnO、LiMnのリチウムサイト又はマンガンサイトを他の金属元素で置換又はドープしたリチウムマンガン遷移金属複合酸化物の粉末、導電材の炭素材料、結着剤のポリフッ化ビニリデン(PVDF)及び粘度調整溶媒としてn−メチルピロリドンを混合し、コーネルデスパで均一分散、混練して得た正極活物質合剤を正極集電体のアルミニウム箔の両表面に均一に塗布、乾燥、所定寸法にプレスして、集電するための一部を残し短冊状に裁断して得られたものである。
【0015】
一方、負極は、黒鉛又は炭素、結着剤のPVDF及び粘度調整溶媒としてn−メチルピロリドンを混合し、コーネルデスパで均一分散、混練して得た負極活物質合剤を負極集電体の銅箔の両表面に均一に塗布、乾燥、所定寸法にプレス、集電するための一部を残して短冊状に裁断して得られたものである。なお、集電するために残した部分には正、負極タブが形成されている。
【0016】
正極タブ及び負極タブは電極捲回群11の互いに反対側の両端面に位置するように配置されている。軸芯の下端には、集電用の負極集電リングが固定されており、負極集電リングの周縁部には負極タブが超音波溶接されている。負極集電リングは、電池缶15に抵抗溶接されている。軸芯の上端には集電用の正極集電リング18が固定されており、正極集電リング18の周縁部には正極タブが超音波溶接されている。正極集電リング18には、短冊状の正極リード板16の一端が溶接されている。正極リード板16の他端は、短冊状の正極リード板19の一端に接続されており、正極リード板19の他端は、電極捲回群11の上部に配置された上蓋20を構成するスプリッタ4の底面に溶接されている。
【0017】
図2に示すように、上蓋20は、鉄製でニッケルメッキが施された円板状の上蓋キャップ1を有している。円板の中央には上方に向けて突出した円筒状の突起が形成されている。突起の上面には開口が形成されている。上蓋キャップ1の周縁部は、ダイヤフラム2の周縁部でカシメられている。ダイヤフラム2は、アルミニウム合金製で下方に底部が形成された皿状の形状を有している。皿状の底部は平面状でありダイヤフラム2の中央に平面部を形成している。ダイヤフラム2の平面部と周縁部との間には、薄肉化されており電池内圧が所定圧に達すると開裂する開裂溝8が形成されている。ダイヤフラム2の開裂溝8と周縁部との間の下方には、ダイヤフラム2を支持する断面略T字状の樹脂製絶縁リング3が配置されている。絶縁リング3の内面側には、絶縁リング3と一体成形されたツメ10が、3箇所以上形成されている。ダイヤフラム2に沿った扁平ドーナツ形状のスプリッタ4の外周部が、ツメ10により、ダイヤフラム2の底面と所定間隔を隔てて支持されている。スプリッタ4は、アルミニウム合金製で中央に貫通穴9が形成されている。スプリッタ4の中央部は、上方に突起が形成され突起の中央に平面部を有するアルミニウム合金製の接続板6の周縁部と、ダイヤフラム2の平面部とに、ポリプロピレン樹脂製のブッシュ5を介して狭持されている。ブッシュ5は、円環状でフランジ部を有し、フランジ部がダイヤフラム2の平面部の底面に当接されている。なお、ダイヤフラム2、スプリッタ4、上蓋キャップ1及び接続板6は、プレス加工により形成されている。
【0018】
図3に示すように、ダイヤフラム2の平面部の底面と、接続板6の平面部の上面とは、スポット式に摩擦攪拌接合により電気的・機械的に接合されている(以下、この摩擦攪拌接合箇所を接合部7という。)。摩擦攪拌接合は、図4に示す合金工具鋼製で円柱状の摩擦攪拌接合ツール21を用いて行われる。ツール21を高速で回転させながら被接合部材に押しつけて摩擦熱を発生させ、摩擦熱によって被接合部材の表層を塑性流動させ、ツール21により攪拌して接合する。ツール21は、先端側に円柱状ピン12が突出しており、ピン12の基部周囲には、ツール21の角部となるショルダ部13を有している。また、ピン12を除いたツール21の先端面には、ツール21の外周から中心に向かうにつれ深くなる凹部が形成されている。ツール21は、不図示のモータに接続されており、所定回転速度で回転可能とされている。また、ツール21は、回転軸の方向に上下動可能に支持部に固定されている。ダイヤフラム2と接続板6との接続板6側からの接合時には、ツール21の上下動によりツール21のショルダ部13が接続板6に食い込み、ショルダ部13が食い込んだ部分の接続板6の残厚tが、ダイヤフラム2の板厚tdより小さくなるように設定されている。ダイヤフラム2は、二次電池30の内圧が大気圧以上の所定圧になったときに作動(接続板6側が破断しダイヤフラム2が上蓋キャップ1側に反転)するように設定されており、防爆装置として機能する。
【0019】
ダイヤフラム2のスプリッタ4が沿う部分と、スプリッタ4とが、図1に示した正極集電リング18内に収容されている。スプリッタ4の底面と正極集電リング18の内面とで画定された空間Sは、電池の高さ方向で中央部より周部の方が大きい。図1に示した正極リード片16は、空間Sの周部近傍で折り曲げられて収容されている。
【0020】
電池缶15内に非水電解液が所定量注入された後、上蓋20の周縁部と電池缶15とはガスケット17を介してカシメられて電池内が密閉されている。非水電解液には、例えば、6フッ化リン酸リチウムや4フッ化ホウ酸リチウムをエチレンカーボネート、ジメチルカーボネートなどの有機溶媒に1モル/リットル程度溶解した電解液が用いられている。
【0021】
次に、本実施形態の二次電池30の作用等について説明する。
【0022】
本実施形態の二次電池30は、ダイヤフラム2と、接続板6との平面部同士は、摩擦攪拌接合によって接合されている。このため、塑性流動による結晶の微細化を生ずるので、接合部7の安定性が向上し、ダイヤフラム2の作動圧が一定の防爆装置を得ることができる。従って、確実に一定の作動圧でダイヤフラム2が反転する信頼性の高い二次電池30を得ることができる。また、摩擦攪拌接合では、従来の溶接に比べて低温で金属部材同士を接合することができる。このため、摩擦攪拌接合時のダイヤフラム2及び接続板6の変形を抑制することができるので、変形の少ない部材を用いて信頼性に優れた防爆装置を作製することができる。
【0023】
更に、本実施形態の二次電池30は、接続板6側からツール21を押し当てて摩擦攪拌接合する。このため、摩擦攪拌接合時にツール21のショルダ部13が接続板2に食い込ませて、接続板6の残厚tをダイヤフラム2の板厚tdより小さくすることができる。従って、摩擦攪拌接合時とは別に接続板6を薄くする工程が不要なので、二次電池30の生産コストを低減することができる。
【0024】
また、本実施形態の二次電池30では、接続板6の残厚tはダイヤフラム2の板厚tdより小さい。このため、一定の作動圧で、ダイヤフラム2より接続板6の残厚tの箇所が破断するので、電池内のガスや非水電解液の漏出を防止しすることができる。従って、ガスや非水電解液による二次電池30の周辺機器の劣化を抑制することができる。
【0025】
更にまた、ダイヤフラム2の作動圧は大気圧より大きいので、一旦ダイヤフラム2が反転すれば、大気圧でダイヤフラム2は元の形状には戻らず、接続板6がダイヤフラム2に再度電気的に接触することもない。このため、安全性に優れた電池とすることができる。
【0026】
更に、二次電池30の内圧が更に上昇すると、ダイヤフラム2には薄肉化された開裂溝8が形成されているので、開裂溝8が内圧により開裂される。電池缶15内のガスは、スプリッタ4に形成された貫通穴、開裂溝8の開裂箇所、上蓋キャップ1に形成された開口を経て外部へ開放される。従って、安全に二次電池30を使用不能状態とすることができる。
【0027】
なお、本実施形態では、ダイヤフラム2及び接続板6の平面部同士を、スポット式に摩擦攪拌接合する例を示したが、図5(A)、(B)に示すように、本発明をより大型の二次電池に適用する場合には、ダイヤフラム2及び接続板6の平面部同士を重ね合わせ不図示の載置台上に載置して固定し、接続板6側からツール21を回転させながら押し当てて、ツール21による接合部27が直径Dの円形状となるように載置台を回転するようにしてもい。このようにすれば、ダイヤフラム2及び接続板6の通電断面積を大きくすることができるので、大電流用の電池とすることができる。電池は、用途に応じて要求される最大充放電電流値や通電パターンが異なるので、接合部の温度上昇が実用上問題ない範囲に収まるように直径Dを設定すればよい。
【0028】
また、本実施形態では、ダイヤフラム2、接続板6及びスプリッタ4の材質にアルミニウム合金を用いる例を示したが、これに限定されるものではなく、アルミニウム、ニッケル合金、導電性プラスチックなどの他の導電性材質を使用するようにしてもよい。
【0029】
そして、本実施形態では、先端側にピン12が突出するツール21を用いて摩擦攪拌接合する例を示したが、接続板6側を薄くすることができれば、ピン12の形状は限定されず、例えば、ピン12の長さを短くしてもよい。これにより、より薄い部材の接合に対応することができる。
【0030】
【実施例】
次に、上記実施形態に従って作製した実施例の二次電池について説明する。比較のために作製した電池についても併記する。
【0031】
(比較例1)
下表1に示すように、比較例1では、ダイヤフラムに厚さ0.6mmのアルミニウム合金A3003−H14、接続板に厚さ0.8mmのアルミニウム合金A3003−H14を用い、ショルダ径3mm、ピン径1mm、ピンの長さ1mmのツールを使用し、接続板の残厚tが0.70mm、容量6Ah、電池の外径40mm、電池の高さ110mm、最大充放電電流30Aの電池を作製した。
【0032】
【表1】
Figure 2005011673
【0033】
(比較例2)
表1に示すように、比較例2では、接続板の残厚tを0.60mmとした以外は比較例1と同様に電池を作製した。
【0034】
(実施例1)
表1に示すように、実施例1では、接続板の残厚tを0.55mmとした以外は比較例1と同様に電池を作製した。
【0035】
(実施例2)
表1に示すように、実施例2では、接続板の残厚tを0.50mmとした以外は比較例1と同様に電池を作製した。
【0036】
<試験>
上述したように作製した実施例及び比較例の電池をそれぞれ100個ずつ準備し、6Aの電流値で過充電したときの防爆装置の動作を調べた。下表2に試験結果を示す。
【0037】
【表2】
Figure 2005011673
【0038】
比較例1及び比較例2の電池では、ダイヤフラム側が破断することがあったのに対し、実施例1及び実施例2の電池では、ダイヤフラム側が破断することはなかった。従って、接続板の残厚tをダイヤフラムの板厚tdより小さくすることで、確実に接続板側を破断することができることが確かめられた。
【0039】
(比較例3)
下表3に示すように、比較例3では、ダイヤフラムに板厚1.6mmのアルミニウム合金A3003−H14、接続板に厚さ1.6mmのアルミニウム合金A3003−H14を用い、ショルダ径6mm、ピン径2mm、ピンの長さ1.8mmのツールを使用し、接続板の残厚tを1.2mm、直径Dを2mm、容量30Ah、電池の外径67mm、電池の高さ135mm、最大充放電電流300Aの電池を作製した。
【0040】
【表3】
Figure 2005011673
【0041】
(比較例4)
表3に示すように、比較例4では、直径Dを4mmとした以外は比較例3と同様に電池を作製した。
【0042】
(実施例3)
表3に示すように、実施例3では、直径Dを6mmとした以外は比較例3と同様に電池を作製した。
【0043】
(実施例4)
表3に示すように、実施例4では、直径Dを8mmとした以外は比較例3と同様に電池を作製した。
【0044】
<試験>
上述したように作製した実施例及び比較例の電池をそれぞれ10個ずつ準備し、25゜Cの恒温槽中で30A充電と300A放電を繰り返し行って接合部の温度を赤外線温度計で測定し、平均値を調べた。下表4に試験結果を示す。
【0045】
【表4】
Figure 2005011673
【0046】
表4に示すように、比較例3及び比較例4の電池では、最高温度が100゜Cを超えたのに対し、実施例3及び実施例4の電池では、100゜C以下に抑えることができ、高温による接合部の劣化のおそれがないことが判明した。また、30Aの電流で過充電したときに、防爆装置が確実に作動することも確かめられた。従って、実施例3及び実施例4の電池は、摩擦攪拌接合の直径Dを6mm以上とすることで、大電流の充放電に適すると共に、過充電時の安全性に優れていることが判明した。
【0047】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ダイヤフラムと接続板との平面部同士は、摩擦攪拌接合によって接合されているので、塑性流動による結晶の微細化が生じ、接合の安定性が向上し防爆機構の作動圧が一定の信頼性の高い防爆機構を得ることができると共に、平面部同士が接続板側から摩擦攪拌接合されているので、薄肉の接続板を用いることで、接合時とは別に薄肉部を形成する必要がないため、低コスト化を図ることができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明が適用可能な実施形態の密閉円筒型リチウムイオン二次電池の断面図である。
【図2】実施形態の密閉円筒型リチウムイオン二次電池の上蓋の断面図である。
【図3】密閉円筒型リチウムイオン二次電池のダイヤフラムと接続板との接合部の拡大断面図である。
【図4】実施形態の摩擦攪拌接合に用いるツールの先端部の一部破断断面図である。
【図5】本発明が適用可能な大型の密閉円筒型リチウムイオン二次電池のダイヤフラムと接続板との接合部の拡大図であり、(A)は接続板側から見た平面図、(B)は断面図である。
【符号の説明】
2 ダイヤフラム(防爆機構の一部)
6 接続板(防爆機構の一部)
7、27 接合部
20 上蓋
30 密閉円筒型リチウムイオン二次電池(密閉型電池)

Claims (3)

  1. 中央に平面部を有する皿状の導電性ダイヤフラムと、上方に突起が形成され該突起の中央に平面部を有する導電性接続板とが前記平面部同士で電気的・機械的に接続された防爆機構を備える密閉型電池であって、前記平面部同士は、摩擦攪拌接合によって前記接続板側から接合されたことを特徴とする密閉型電池。
  2. 前記接続板は、前記摩擦攪拌接合によって接合された近傍の板厚が前記ダイヤフラムの厚さより小さいことを特徴とする請求項1に記載の密閉型電池。
  3. 前記平面部同士は、前記摩擦攪拌接合によって円形状に接合されたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の密閉型電池。
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