JP2005011673A

JP2005011673A - 密閉型電池

Info

Publication number: JP2005011673A
Application number: JP2003174466A
Authority: JP
Inventors: Mikio Oguma; 幹男小熊; Takahisa Toritsuka; 高久鳥塚; Kinya Aota; 欣也青田; Koji Sato; 晃二佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd; Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Resonac Corp
Priority date: 2003-06-19
Filing date: 2003-06-19
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2023-06-19
Also published as: JP4459559B2

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_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）又は層状岩塩型構造を有するＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４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】

【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】

【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】

【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】

【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

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。
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。
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。