JP2005347098A

JP2005347098A - 電池および電池用組立封口板

Info

Publication number: JP2005347098A
Application number: JP2004165288A
Authority: JP
Inventors: Hiromasa Hiramatsu; 宏正平松; Yasuhiro Suzuki; 康弘鈴木
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】正極端子キャップ、所定の圧力で破断する円盤状の金属薄板からなる弁体、弁体の作動圧を規制するリング状の弁作動圧規制金属板、及び正極端子キャップと発電要素の正極とを電気的に接続するハット状の底板からなる組立封口板と発電要素に接続された極板リードを接続する際の溶接強度の信頼性を高める。
【解決手段】組立封口板は、端子キャップ７、弁体４、弁体支持板５、及び前記端子キャップ７と発電要素２の一方の極性の電極とを電気的に接続するハット状の底板３を具備し、前記端子キャップ７と前記底板３はそれぞれガスを排出するための透孔を有し、前記底板３のツバ部に前記弁体４と前記弁体支持板５とを重ねて前記ツバ部を折り返して前記底板３と前記弁体４と前記弁体支持板５が一体化され、かつ前記底板３の凹部内面には補強金属板１０が貼り合わされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池およびその組立封口板に関し、特に正極端子キャップ、所定の圧力で破断する円盤状の金属薄板からなる弁体、弁体を支持するリング状の弁体支持板、及び正極端子キャップと発電要素の正極とを電気的に接続するハット状の底板からなり、発電要素から極板リードを介して底板に電気接続するようにした組立封口板に関するものである。

一般に、リチウム電池等の組立封口板は、正極端子キャップ、所定の圧力で破断する円盤状の金属薄板からなる弁体、弁体を支持するリング状の弁体支持板、及び正極端子キャップと発電要素の正極とを電気的に接続するハット状の底板とからなっている。そして、底板のツバ部に弁体と弁体支持板を重ねてツバ部を折り返して、底板と弁体と弁体支持板が一体化され、端子キャップと底板の凹部に透孔が設けられている。そして、負極端子を兼ねる電池ケースに発電要素を収容し、電池ケースの開口部にガスケットを介して前記の組立封口板を装着し、組立封口板の底板の凹部と発電要素の正極とを極板リードで接続し、電池ケースの開口部をかしめて電池が構成される。底板は、凹部にある透孔をさけて発電要素からの電気接続のために極板リードがスポット溶接等で接続される。ここで、溶接時の加圧力により塑性変形することのないように底板の厚みを確保することで、溶接部位および封口板の信頼性を確保している。

このような封口板構造を備えた円筒型リチウム一次電池は、例えば特許文献１に記載されている。図４は、このような円筒型リチウム一次電池の要部断面図を示す。電池ケース２１の内部に正極板、セパレータ、負極板を重ね合わせてスパイラル状に捲回した電池発電要素２２が収容されている。ここで、正極板は二酸化マンガンの粉末等を金属製の芯材に充填した極板であり、セパレータはＰＰ（ポリプロピレン）製、負極板は金属リチウムをシート状に加工したものである。また、電池ケース２１内には有機電解液が注入されており、一例として溶媒はＰＣ（プロピレンカーボネート）、ＤＭＥ（１，２−ジメトキシエタン）、溶質はＬｉＣＦ₃ＳＯ₃（トリフルオロメタンスルホン酸リチウム）が用いられている。この電池発電要素２２の上方部に、凹部に透孔２３ａの開いたステンレス製のハット状の底板２３のツバ部で所定の圧力で破断するよう防爆機構を有するための金属薄板からなる弁体２４と中央部に孔の開いたリング状のステンレス板２５を重ね合わせたものをかしめて一体化させたものを最下部とし、その上部にリング状のＰＴＣ素子板２６を載せ、さらにその上に正極端子キャップ２７を積層配置したものを断面がコの字状で環状のガスケット２８を挟んで電池ケース２１の開口をかしめて構成される。そして、このハット状の底板２３の透孔２３ａをさけて凹部の一部に、正極板に接続された極板リード２９が１点または２点でスポット溶接されている。
実開平４−１１２４５９号公報

以上のような封口板構造では、例えば、極板リードの幅が狭かったり、ハット状底板の板厚が薄い場合は、溶接強度の信頼性を向上させるためにスポット溶接箇所を増やしたり、透孔の位置を変更して溶接部位を底板周辺部から中央部に変更をすることが好ましい。しかしながら、板厚が薄いと、溶接時の加圧による変位が大きく、溶接強度の信頼性の低下につながるため好ましくない。

一例としては、底板の板厚が０．２ｍｍの場合、周辺部での１点スポット溶接を、中央部での２点スポット溶接に変更しようとすると、加圧力の負担増、また、加圧点がハット
状の凹部端部から中央へ変わることによる曲げ応力が増大して、スポット溶接時に底板が塑性変形することがわかった。

そこで、この底板中央部での２点スポット溶接を塑性変形なく実現させるためには、底板の板厚を０．３ｍｍ以上にすればよいことがわかったが、ハット状のツバ部で弁体と弁体支持板を挟んで折り返したときの折り返し部の厚みが０．２ｍｍ増大するため底板全体としては０．３ｍｍもの厚み増大につながり、極板リードが下方の電池発電要素部を強く圧迫するようになることで、極板間の内部ショートを誘発する可能性が大きくなるため好ましくない。

本発明は、ハット状の底板の板厚が０．２ｍｍ程度の薄板であっても、弁体と弁体支持板を挟んで折り返したときの折り返し部の厚みを変えることなく、溶接強度の信頼性を確保した上で、スポット溶接箇所を例えば１点から２点に増やしたり、スポット溶接箇所を周辺部から中央部に変えることができる封口板構造およびそれを用いた電池を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の電池用組立封口板は、端子キャップ、所定の圧力で破断する円盤状の金属薄板からなる弁体、前記弁体を支持するリング状の弁体支持板、及び前記端子キャップと発電要素の一方の極性の電極とを電気的に接続するハット状の底板を具備し、前記端子キャップと前記底板はそれぞれガスを排出するための透孔を有し、前記底板のツバ部に前記弁体と弁体支持板を重ねて前記ツバ部を折り返して前記底板と前記弁体と前記弁体支持板とが一体化され、かつ前記底板の凹部内面には補強金属板が貼り合わされていることを特徴とする。

また本発明の電池は、発電要素を収容してその一方の極性の端子を兼ねる電池ケース、および電池ケースの開口部にガスケットを介して装着された組立封口板を具備し、前記組立封口板が、端子キャップ、所定の圧力で破断する円盤状の金属薄板からなる弁体、前記弁体を支持するリング状の弁体支持板、及び前記端子キャップと前記発電要素の一方の極性の電極とを電気的に接続するハット状の底板を具備し、前記端子キャップと前記底板はそれぞれガスを排出するための透孔を有し、前記底板のツバ部に前記弁体と前記弁体支持板を重ねて前記ツバ部を折り返して前記底板と前記弁体と前記弁体支持板とが一体化され、前記底板の凹部内面には補強金属板が貼り合わされ、かつ、前記補強金属板が貼りあわされた前記底板の凹部の反対面と前記発電要素の一方の極性の電極とが極板リードで接続されてなることを特徴とする。

底板の凹部内面に補強金属板が貼り合わされて一体化されていることで、弁体と弁体支持板を挟んで折り返したときの折り返し部の厚みを増やすことなく、底板に極板リードを接続する際の強度を確保することが可能となる。また、電池ケース内部の体積的増加をもたらすことなく、構造的安全性も保証される電池を提供することができる。

本発明によれば、適切なスポット溶接をするには不十分な板厚を有するハット状の底板に対し、スポット溶接をする領域のみ補強金属板を貼り合わせて一体化させ、その領域の厚みを増大することにより、底板全体の高さ寸法を変えることなく、底板のどの領域にも信頼性を持ちうるスポット溶接をすることを可能にするものである。

また、補強金属板を貼り合わせて一体化させるだけでなくハット状の底板の板厚をさらに薄くすることも可能となり、これによって電池ケース内の電池発電要素の体積を増し、電池容量を増大させらることも期待できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

本発明の一実施例として、円筒型リチウム一次電池について説明する。図１は、本発明の一実施例の円筒型リチウム一次電池の要部断面図を示す。この電池は以下のようにして作製する。まず、有底円筒状の電池ケース１の内部に正極板、セパレータ、負極板を重ね合わせてスパイラル状に捲回し、その正極板に極板リード９が接続された電池発電要素２を収容する。ここで、正極板は二酸化マンガンの粉末等を金属製の芯材に充填した極板であり、セパレータはＰＰ（ポリプロピレン）製、負極板は金属リチウムをシート状に加工したものである。また、電池ケース１内には有機電解液が注入される。一例として溶媒はＰＣ（プロピレンカーボネート）、ＤＭＥ（１，２−ジメトキシエタン）、溶質はＬｉＣＦ₃ＳＯ₃（トリフルオロメタンスルホン酸リチウム）が用いられている。一方、凹部の内面に厚み０．１ｍｍのステンレス板１０が抵抗溶接、超音波溶接等で貼り合わされた厚み０．２ｍｍのステンレス製のハット状の底板３のツバ部に、所定の圧力で破断するよう防爆機構を有するための金属薄板からなる弁体４と中央部に孔の開いたリング状のステンレス板（弁体支持板）５を貼り合わせ、底板３のツバ部をかしめて一体化させたものを用意する。底板３の凹部には、ステンレス板（補強金属板）１０が貼り合わされない任意の位置にガス抜きのための透孔３ａが設けられている。この底板３のツバ部にリング状のＰＴＣ素子板６を重ね、さらにその上にガス抜きのための透孔７ａを有する正極端子キャップ７を積層配置したものを断面がコの字状で環状のガスケット８を挟んで組立封口板ができあがる。この組立封口板を構成する底板３のステンレス板（補強金属板）１０が貼り合わされた内面の反対面に電池発電要素２の正極板に接続された極板リード９の端部を１点または２点でスポット溶接してから、組立封口板を電池ケース１の開口部に挿入し、電池ケース１の開口をかしめて電池が完成する。

従来の円筒形リチウム一次電池の要部断面図は図４のとおりであるが、それに用いられているハット状の底板２３はステンレス製であり、底面の直径は８ｍｍ、板厚は０．２ｍｍである。また、底板中央部には直径４ｍｍのガス抜きの透孔２３ａが開いている。極板リード２９は底板の周辺部の一部に、３ｋｇ／ｃｍ²でスポット溶接が１点施され、正極端子キャップまでが電気的に接続されている。

（試験１）
底板と極板リードとの接続における溶接強度などを評価するため、従来の電池と同じ構成でハット状の底板に弁体とステンレス製の弁体支持板とを一体化したものに、極板リードだけを模擬的にスポット溶接を行った。

図５および図６は従来の電池におけるスポット溶接部の断面図と極板リード側からみた底面図を示す。このときには、１点でのスポット溶接のため、加圧による変形はないものの、十分な溶接強度が得られなかった。

（試験２）
次に、この正極リードの底板周辺部への１点スポット溶接を、中央部への２点スポット溶接に変更するため、板厚は０．２ｍｍのまま、まず、透孔をハット状の底板の側面部に直径０．８ｍｍの孔を６箇所空けるように変更し、底面中央部の孔をふさいだものに変更してスポット溶接を行った。この底板中央部にスポット溶接時の加圧力以上の５ｋｇ／ｃｍ²の加重をかけ、予想されるスポット溶接時の変形具合を確認したところ、加圧なしの状態にもどすと加圧部に塑性変形がみられた。

（試験３）
そこで、塑性変形しない板厚の目安をつけるためＣＡＥによるシミュレーションを行いその板厚を０．３ｍｍと算出し、板厚を０．２ｍｍから０．３ｍｍに変更した底板を用いて、同様の２点スポットで加圧試験を行った。この場合、加圧部には目視による塑性変形は発見できなかった。

（試験４）
そこで、今度は板厚０．２ｍｍの底板に、スポット溶接する面とは反対側の内面に板厚０．１ｍｍ（これは空間的制約がなければ０．２ｍｍ以上の厚みでもかまわない）、直径４ｍｍのステンレス板を超音波溶接で貼り合わせたものを用意した。ここで、ステンレス板の貼り合わせは、正極リードのスポット溶接に悪影響がないと判断されれば、同じくスポット溶接で接着してもかまわないものである。これに極板リードを同様に２点でスポット溶接を行った。図２および図３は、このときのスポット溶接部の断面図と極板リード側からみた底面図を示す。同様に加圧試験を実施し、変形具合を確認したところ、塑性変形は見られなかった。

そして、図２および図３に示すようにハット状の底板３の中央部に正極リード９を２点スポット溶接したものを作製し、初期引っ張り強度も確認したが現行規格を十分上回る強度を有すること確認できるとともに、より信頼性を向上させることができた。

次に、図２および図３に示す構成と同じ構成をもたせて図１に示す電池を組み立てた。本発明の電池では、電池組立後の抜き取り検査におけるスポットはずれの発生がなくなったため、従来行っていた再検査や工程解析に要する時間が必要なくなり、工数削減、生産性の向上に大きく貢献するものとなった。

本発明の電池用組立封口板を用いた電池では、組立封口板を構成する底板の厚みを変えることなく、底板に極板リードをスポット溶接または超音波溶接する領域の自由度を向上させることに貢献するものである。

本発明の実施例の円筒型リチウム一次電池の要部断面図本発明の底板に正極リードがスポット溶接された状態の断面図本発明の底板に正極リードがスポット溶接された状態の底面図従来の円筒型リチウム一次電池の要部断面図従来の底板に正極リードがスポット溶接された状態の断面図従来の底板に正極リードがスポット溶接された状態の底面図

符号の説明

１電池ケース
２電池発電要素
３底板
３ａ透孔（φ０．８ｍｍ×６箇所）
４弁体
５弁体支持板
６ＰＴＣ素子
７正極端子キャップ
７ａ透孔
８ガスケット
９正極リード
１０補強金属板
１１スポット溶接部（２点）
２１電池ケース
２２電池発電要素
２３底板金属板
２３ａ透孔（φ４ｍｍ×１箇所）
２４弁体
２５弁体支持板
２６ＰＴＣ素子
２７正極端子キャップ
２７ａ透孔
２８ガスケット
２９正極リード
３０スポット溶接部（１点）

Claims

端子キャップ、所定の圧力で破断する円盤状の金属薄板からなる弁体、前記弁体を支持するリング状の弁体支持板、及び前記端子キャップと発電要素の一方の極性の電極とを電気的に接続するハット状の底板を具備し、前記端子キャップと前記底板はそれぞれガスを排出するための透孔を有し、前記底板のツバ部に前記弁体と前記弁体支持板を重ねて前記ツバ部を折り返して前記底板と前記弁体と前記弁体支持板とが一体化され、かつ前記底板の凹部内面には補強金属板が貼り合わされていることを特徴とする電池用組立封口板。
底板と補強金属板とが抵抗溶接または超音波溶接で貼り合わされていることを特徴とする請求項１記載の電池用組立封口板。
補強金属板がステンレス製であり、かつ貼り合わせる底板との合計厚みが０．３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の電池用組立封口板。
発電要素を収容してその一方の極性の端子を兼ねる電池ケース、および電池ケースの開口部にガスケットを介して装着された組立封口板を具備し、前記組立封口板が、端子キャップ、所定の圧力で破断する円盤状の金属薄板からなる弁体、前記弁体を支持するリング状の弁体支持板、及び前記端子キャップと前記発電要素の他方の極性の電極とを電気的に接続するハット状の底板を具備し、前記端子キャップと前記底板はそれぞれガスを排出するための透孔を有し、前記底板のツバ部に前記弁体と前記弁体支持板を重ねて前記ツバ部を折り返して前記底板と前記弁体と前記弁体支持板とが一体化され、前記底板の凹部内面には補強金属板が貼り合わされ、かつ、前記補強金属板が貼りあわされた前記底板の凹部内面の反対面と前記発電要素の他方の極性の電極とが極板リードで接続されてなることを特徴とする電池。