JP2007103286A - 密閉形電池およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】密閉形電池を製造する上で、封口板に具備された注液孔を封止する際のレーザー溶接時の品質を向上させることのできる電池を提供するものである。
【解決手段】電池ケースの開口部が非水電解液を注入する注液孔を具備した封口板で封口されて構成され、注液孔が封栓部材で封止された密閉形電池において、封栓部材３を構成する封止部材３ａを少なくとも一辺に円弧部を有する方形の板状支持体３ｂを押さえて圧入後、板状支持体３ｂを押さえながら板状支持体３ｂの少なくとも一辺の円弧部をレーザービームが円弧状の軌道を描いてレーザー溶接する構成としている。
【選択図】図２

Description

本発明は、積層または渦巻状の極板群と電解液を収納した電池ケースに組込まれる封口板に具備された注液孔を封止する封栓部材を改良した密閉形電池およびその製造方法に関するものである。

近年、携帯用の電子機器の電源として利用が広がっているリチウム二次電池は、高いエネルギー密度や負荷特性に優れた密閉形とし、また、電子機器の薄型化に適すると共に電子機器内のスペース効率の高い角形とすることが求められている。さらに、これらのリチウム二次電池には電子機器の高性能化、高機能化及びコンパクト化が進むに伴い、より高電圧化、高容量化及び薄型化が要望されている。
角形電池においては、密閉形とするために密閉性に劣るかしめ封口方式に比べ、レーザー封口方式が主流となっている。レーザー封口方式の角形電池は、積層または渦巻状の極板群を電池ケースに収納した後、積層または渦巻状の極板群に取り付けられた集電体を封口板に溶接すると共に封口板と電池ケースをレーザー溶接し、封口板または電池ケースのいずれか一方に具備した注液孔から電解液を注入した後に、注液孔を封止栓により封止して密閉形電池を構成している。

封止栓による封止方法は、図８（ａ），（ｂ）に示されるような構成を有した電池ケース４に開口された電解液を注入するための注液孔２を封止栓３で塞ぎ、この封止栓３にレーザービームを照射して封止栓３と電池ケース４とを溶接することにより注液孔２を封止する封止方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、図９に示されるように電池ケース４に開口された注液孔２を封止するための封止栓３を備え、この封止栓３が金属製の封孔体本体３ｂとゴム栓体３ａとで構成されており、封孔体本体３ｂは円盤状、楕円状もしくは多角形状であり、注液孔２が封孔体本体３ｂと嵌合する凹部２ａとゴム栓体３ａと嵌合する孔部２ｂとで構成された封止栓３による封止方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、その他の封止栓による封止方法として、図１０（ａ），（ｂ）に示されるように注液孔２を覆う状態で固着された支持部材３ｂと、弾性を有する圧入部材３ａで構成される封止栓３を注液孔２に圧入された状態で支持部材３ｂが封口板１の外周端部立上げ部１４にはまり込んで配置されており、支持部材３ｂの端部と封口板１の外周端部立上げ部１４との間がレーザー溶接されることによって固着される封止方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２０００−４８８０４号公報 特開２００１−３１３０２２号公報 特開２０００−２６８８１１号公報

しかしながら、従来技術である特許文献１においては、封止栓と電解液を注入するための注入孔との隙間に電解液が浸透した場合、溶接時のスパッタなどにより溶接不良が発生しやすいという課題がある。

上記課題を鑑みて発明されたのが特許文献２や特許文献３である。しかし、特許文献２の場合、図９に示すように電解液を注入するための注液孔２が金属製の封孔体本体３ｂと
嵌合する凹部２ａとゴム栓体３ａと嵌合する孔部２ｂとで構成され、ゴム栓体３ａが嵌合する孔部２ｂに対してセンタリングを取る機能を有しているため、封孔体本体３ｂに対するゴム栓体３ａの同軸度の公差または位置度の公差の精度を厳しくする必要があり、精度が不十分な場合、封孔体本体３ｂと注液孔２の凹部２ａが干渉し挿入不良となる。

また、封止栓３は封孔体本体３ｂとゴム栓体３ａを接着剤で接合され、封孔体本体３ｂの外縁部をレーザー溶接する。その際、封孔体本体３ｂの端部とゴム栓体３ａの端部の距離をレーザー溶接時の熱影響を受けない距離を保つ必要があり、その距離が保てなければ、レーザー溶接時の熱影響によりゴム栓体３ａが焼けて封止できない。そのため、薄い角形電池の場合、封孔体本体３ｂの端部とゴム栓体３ａの端部の距離をレーザー溶接時の熱影響を受けないように保ったまま封止栓３を小型化すると、ゴム栓体３ａが成型できないという課題が発生する。

また、特許文献３で開示されている封止方法は、図１０に示されるように支持部材３ｂを封口板１の外周端部立上げ部１４にはめ込む際、レーザー溶接を安定させるために隙間を可能な限り小さくする必要がある。そのため、封止栓３の支持部材３ｂが封口板１の外周端部立上げ部１４に干渉し挿入不良となり、封止の不良が発生することがある。

また、支持部材３ｂと封口板１の外周端部立上げ部１４の境界に沿ってレーザー溶接を行なう生産ラインでは、レーザー溶接機のレーザービームを集光する鏡筒を保持する治具やレーザーの被照射物である電池を保持する治具がレーザーの蓄熱によるひずみにより位置精度がばらつき、相対的にレーザーの軌道のズレが発生することやレーザー溶接機の電源やフラッシュランプの繰返し精度の影響でレーザー出力のバラツキが発生する。そのため、支持部材３ｂと封口板１の外周端部立上げ部１４の境界に沿って溶接できず、溶接不良となり封止の不良が発生することがある。

本発明は上記従来の課題を鑑みて成し遂げられたものであり、その目的は密閉形電池を製造する上で、レーザー溶接時の品質を向上させることのできる密閉形電池を提供することを目的とするものである。

上記のような目的を達成するため本発明の密閉形電池は、帯状の正極板および負極板とこれらの間にセパレータを介在させて積層または渦巻状に巻回してなる極板群が電池ケース内に収納され、この電池ケースの開口部が非水電解液を注入する注液孔を具備した封口板で封口されて構成され、注液孔が封栓部材で封止された密閉形電池において、封栓部材は注液孔に圧入される封止部材と封口板に溶接される板状支持体によって構成され、かつ板状支持体の形状を少なくとも一辺に円弧部を有する方形にした構成を提供することを目的とするものである。

本発明によれば、板状支持体の形状が円弧部を有する方形にしたことで、レーザー溶接機より照射されるレーザービームの軌道のズレが生じた時やレーザー溶接機のレーザービームの出力にバラツキが生じた時にでも、板状支持体の円弧部の形状に見合ったレーザービームの軌道が描けて板状支持体の円弧部を溶接できることにより、溶接不良の発生を抑制することができ、レーザー溶接時の品質を向上させることが可能となる。 さらに、封口板に具備された注液孔を封止する際、レーザー溶接時の溶接強度の確保ができ、電池の品質を向上させることができる。また、板状支持体は封口板の外周端部立上げ部にはめ込まれるのではなく、板状支持体と封口板外周端部立上げ部には隙間を設け、設備上容易に挿入できる。

本発明の第１の発明は、電池ケースの開口部が非水電解液を注入する注液孔を具備した封口板で封口されて構成され、注液孔が封栓部材で封止された密閉形電池において、封栓部材が注液孔に圧入される封止部材と封口板に溶接される板状支持体によって構成され、かつ板状支持体の形状を少なくとも一辺に円弧部を有する方形にしたことにより、レーザー溶接機より照射されたレーザービームの軌道のズレが生じた時やレーザー溶接機のレーザービームの出力にバラツキが生じた時にでも板状支持体の円弧部に沿って溶接することができる。

本発明の第２の発明は、板状支持体の形状を相対向する辺に円弧部を有する方形にしたことにより、板状支持体の端部と封栓部材とが円弧部を設けた距離だけ余計に離すことができ、レーザー溶接時の熱影響を受けない距離を保つことで、レーザー溶接時の熱影響により封栓部材が焼けて、封止できない課題への対応ができる。

本発明の第３の発明は、封口板に窪み部が形成され、この窪み部に板状支持体を結合したことにより、板状支持体の回り止めの効果がある上、封口板に窪み部と板状支持体の間に隙間を持たすことができるため、板状支持体に対する封栓部材の同軸度の公差または位置度の公差のバラツキを吸収できる。

本発明の第４の発明は、帯状の正極板および負極板とこれらの間にセパレータを介在させて積層または渦巻状に巻回して極板群を構成した後、電池ケース内に極板群を収納し電池ケースの開口部を非水電解液が注入できる注液孔を具備した封口板で封口し、注液孔より電解液を注液した後、注液孔に圧入される封止部材と板状支持体によって構成される封栓部材で注液孔を封止する際に板状支持体の円弧部を溶接し封栓部材を封口板に固着することにより、板状支持体の円弧部を溶接することができるため、注入孔を封止する充分な溶接強度が確保できる。

本発明の第５の発明は、レーザー溶接のレーザービームが円弧状の軌道を描いて板状支持体に設けた少なくとも一辺の円弧部を溶接して封栓部材を封口板に固着することにより、レーザー溶接機より照射されたレーザービームの軌道のズレが生じた時やレーザー溶接機のレーザービームの出力にバラツキが生じた時にでも板状支持体の円弧部の形状に見合った溶接ができるため、充分な溶接強度の確保が可能となる。

本発明の第６の発明は、封栓部材の板状支持体に設けた相対向する辺の円弧部をレーザー溶接のレーザービームが円弧状の軌道を描いて溶接し、封栓部材を封口板に固着することにより、封栓部材の板状支持体が封栓部材を中心に回動した場合においても板状支持体の円弧部を円弧状の軌道を持つレーザービームで溶接できるため、溶接不良の発生を抑制することができる。

以下、本発明の最良の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に関わる密閉形電池の代表としての角形リチウム二次電池の全体構成を示し、（ａ）は縦断側面図、（ｂ）は平面図である。また、図２は本発明の一実施形態に関わる角形リチウム二次電池に固着させた封栓部材を示し、（ａ）は封栓部材の平面図、（ｂ）は封口板にある注液孔と封栓部材の縦断側面図、（ｃ）は封栓部材を電池ケースの開口部に封口した封口板にレーザー溶接した後の平面図である。

この角形リチウム二次電池は、詳細について後述する発電要素である極板群５が収納された有底角筒状のアルミニウム材質で正極端子を兼ねる電池ケース４と、この電池ケース４の開口部４ａを封口するアルミニウム材質の封口板１とを備え、封口板１には電池ケース４内に非水電解液（図示せず）を注入する注液孔２が設けられている。

極板群５は、電池ケース４の内部にその底面にて下部絶縁板１０で電気的に絶縁状態で仕切られて収納されており、正負極の極板をこれらの間にセパレータを介在して積層した状態で捲回した後、プレス成形によって扁平状に作製したものである。また、極板群５の上端部は上部絶縁板６があり電気的に絶縁されている。封口板１には、その中央部に上部絶縁ガスケット７を介して電気的に絶縁した状態で、外部負極端子８が取り付けられている。この外部負極端子８の下部には、下部絶縁ガスケット９を介して封口板１に対し電気的に絶縁された内部負極端子１１が電気的な接続状態で連結されており、その内部負極端子１１には、極板群５から導出された負極リード１２が溶接により接続されている。

封口板１には、極板群５から導出された正極リード１３が溶接により接続されている。また封口板１は電池ケース４の開口部４ａにて、例えばレーザー溶接により接合し密閉されている。注液孔２より所定の非水電解液を注入したのち封栓部材３を構成する封止部材３ａを板状支持体３ｂで押さえることによって圧入する。その後、円弧部を有する方形の板状支持体３ｂを押さえながら板状支持体３ｂの円弧部をレーザー溶接する。

なお、封止部材３ａは耐非水電解液質性を有することが好ましく、例えば材質はフッ素ゴムやＥＰＤＭを用いることが好ましい。さらに、板状支持体３ｂは電池ケース４と同じ種類の金属が好ましく、例えば電池ケース４の材質がアルミニウムの場合は板状支持体３ｂもアルミニウムを用いることが好ましい。

次に、本発明の密閉形電池である角形リチウム二次電池の製造工程を示すフローチャートを図５に示す。まず電極板を製造する源泉工程１１０にて正極板１０２および、負極板１０４を製造し、正極板１０２、負極板１０４、セパレータ１０５を用いて、極板群形成工程１１１では発電要素である極板群５を製造する。さらに、この極板群５を電池ケース４に挿入後、封口板１を電池ケース４の開口部に溶接し、非水電解液１０６を注入後、封口板１に封栓部材３を溶接して角形リチウム二次素電池１０９を製造する組立工程１１２がある。

源泉工程１１０の正極用原材料１０１として、コバルト酸リチウム等のリチウム含有複合酸化物である正極活物質とアセチレンブラック等を用いた導電剤とポリフッ化ビニリデン等を用いた結着剤とを分散媒に混練分散させ、その正極用原材料１０１を正極集電体であるアルミニウム箔に塗着し、乾燥、圧延して帯状の正極板１０２を製造する。また、源泉工程１１０の負極極用原材料１０３として、天然黒鉛等を用いた負極活物質とポリフッ化ビニリデン等を用いた結着剤とポリエチレンオキシド等を用いた増粘剤とを分散媒に混練分散させ、その負極用原材料１０３を負極集電体である銅箔に塗着し、乾燥、圧延して帯状の負極板１０４を製造する。

次に、極板群形成工程１１１にて複合リチウム酸化物を活物質とする正極板１０２と天然黒鉛等を活物質とする負極板１０４とをポリエチレン等の高分子からなる微多孔フィルムであるセパレータ１０５を介して渦巻状に捲回または、積層して極板群５を構成する。さらに、組立工程１１２においては電池ケース４内に下部絶縁板１０と極板群５を挿入後、上部絶縁板６を挿入し、上部絶縁ガスケット７と外部負極端子８と下部絶縁ガスケット９とが先工程で一体化された封口板１に極板群５より導出している正極リードを溶接し、外部負極端子８に極板群５より導出している負極リードを溶接する。

次に正極リードおよび負極リードが電気的に接続された封口板１を電池ケース４の開口部に挿入し、封口板１を電池ケース４に溶接する。さらに、封口板１に具備された注液孔より非水電解液１０６を注液した後、注液孔に封栓部材３を構成する封止部材を板状支持体で押さえることによって圧入する。その後、円弧部を有する方形の板状支持体を押さえ
ながら、板状支持体の円弧部がレーザー溶接され、封栓部材３が封口板１に固着させることで角形リチウム二次素電池１０９が製造される。

以下、本発明の実施例における角形リチウム二次電池の封口板に固着させた封栓部材について図面を参照しながら、詳細に説明する。

図２に示されるように、封栓部材３を構成する封止部材３ａは円柱に続いて円錐台状を有する形状で材質がＥＰＤＭである。また、板状支持体３ｂは方形形状の相対向する辺に直径が３．２ｍｍの円弧部を有し、方形の幅が２．１ｍｍ、厚みが０．３ｍｍのアルミニウム合金材料からなる。封口板１に具備された注液孔２は、封口板１の上部に設けられた長方形の長さが４．６ｍｍ、幅が２．３ｍｍ、深さが０．４ｍｍの凹部面上に有り、窪み部２ｂと貫通孔２ａを有する。窪み部２ｂと貫通孔２ａは封止部材３ａを圧入可能な寸法関係が好ましい。注液孔２に封栓部材３を圧入し、板状支持体３ｂの円弧部をレーザー溶接することにより作製した封口板１を実施例１とした。

図３は本発明の別の実施例である角形リチウム二次電池の封口板に固着させた封栓部材３を示す。図３に示されるように、板状支持体３ｂは方形形状の４辺のうち１辺のみに直径が３．２ｍｍの円弧部を有し、方形の幅が２．１ｍｍ、厚みが０．３ｍｍのアルミニウム合金材料である。さらに、板状支持体３ｂの形状以外は実施例１と同様の仕様であるが、板状支持体３ｂをレーザー溶接する際、板状支持体３ｂの円弧部はレーザービームを円弧状に描かせて溶接し、板状支持体３ｂの直線部はレーザービームを直線に照射して封口板１と封栓部材３を溶接し、作製した封口板１を実施例２とした。

図４は本発明の別の実施例である角形リチウム二次電池の封口板に固着させた封栓部材３を示す。図４に示されるように、板状支持体３ｂは方形形状の４辺のうち２辺に直径が３．２ｍｍの円弧部を有し、残りの２辺のうち１辺に直径が９．２ｍｍの円弧部を有し、方形の幅が２．１ｍｍ、厚みが０．３ｍｍのアルミニウム合金材質である。また、板状支持体３ｂの形状以外は実施例１と同様の仕様である封口板１を実施例３とした。

（比較例）
本発明の実施例と比較するため、図６（ａ）に示す四角形状の支持体を有する封栓部材３を備え、四角形状の直線部をレーザー溶接する以外は上記実施例と同じ仕様である封口板１を比較例とした。

上記のようにして実施例および比較例に示す封栓部材３を用いて、封栓部材３のレーザー溶接を実施した。レーザー溶接の溶接品質として、封栓部材３と封口板１が溶接されているかどうかを目視にて判定し、溶接強度の測定実験にて溶接強度を測定し、比較を行った。ここでの溶接強度の測定実験は、図７に示されるように封口板１にレーザー溶接された封栓部材３の封止部材３ａに注液孔２側から加圧棒５０をあて、荷重を掛けて溶接部が破損し、剥がれた荷重を測定した。

（表１）から明らかなように、実施例１，２，３の封栓部材３は封口板１に全数溶接されているのに対し、比較例の封栓部材３は封口板１に未溶接の部分があり、封栓部材３と封口板１との溶接強度の弱いものがあった。これは、図６（ｂ）に示されるように封口板１に具備された注液孔を中心に四角形状の封栓部材３の板状支持体が回動し、直線状に描くレーザー軌道と板状支持体の端部が回動した分の角度を有したために未溶接部が発生したと考えられる。

また、溶接強度においては溶接の破損荷重０．２ｋｇｆが電池ケース４の内圧１５ｋｇｆ／ｃｍ^２に相当し、これは電池ケース４の耐圧の限界値である。すなわち、溶接の破損荷重０．２ｋｇｆ以上で溶接部が絶えなければならない荷重である。比較例では溶接の破損荷重が０．２ｋｇｆ以下の溶接強度のものがあり、強度面では充分であるとは言えない。

以上の測定結果から本発明である封栓部材３の板状支持体３ｂの形状を少なくとも一辺に円弧部を有する方形にしたことを特徴とする封栓部材３を用いた場合、封栓部材３が回動して定位置にない場合およびレーザー溶接機より照射されたレーザービームの軌道のズレが生じた時やレーザー溶接機のレーザービームの出力にバラツキが生じた時においてもレーザービームが円弧状の軌道を描いていることで、封栓部材３の板状支持体３ｂの円弧部を溶接することができため、注入孔を封止する充分な溶接強度の確保が可能となる。

本発明によれば、電池ケースの開口部が非水電解液を注入する注液孔を具備した封口板で封口されて構成され、注液孔が封栓部材で封止されている密閉形電池において、封栓部材は注液孔に圧入される封止部材と封口板に溶接される板状支持体によって構成され、かつ板状支持体の形状を少なくとも一辺に円弧部を有する方形を有することにより、封栓部材３が回転して定位置にない場合およびレーザー溶接機より照射されたレーザービームの軌道のズレが生じた時やレーザー溶接機のレーザービームの出力にバラツキが生じた時にでも板状支持体の円弧部を溶接することができため、注入孔を封止する溶接強度の確保が可能となり、注液孔を封止する際のレーザー溶接時の品質を向上させることができる。

（ａ）本発明の実施形態における密閉形電池の縦断面図、（ｂ）同密閉形電池の平面図 （ａ）本発明の一実施例における角形リチウム二次電池に固着させた封栓部材の平面図、（ｂ）同封口板にある注液孔と封栓部材の断面図、（ｃ）同封栓部材を封口板にレーザ溶接した後の平面図 本発明の別の実施例における角形リチウム二次電池の封口板に固着させた封栓部材を示し、板状支持体の一辺に円弧部を有する封栓部材の平面図 本発明の別の実施例における角形リチウム二次電池の封口板に固着させた封栓部材を示し、板状支持体の三辺に円弧部を有する封栓部材の平面図 同実施形態における角形リチウム二次電池の製造工程フローチャート （ａ）比較例における封栓部材の標準の取付け状態図、（ｂ）回動発生時の取付け状態図 同実施例における溶接の強度測定実験の模式図 （ａ）従来例における電解液の注液孔による封止前の封止栓部の断面図、（ｂ）同封止後の断面図 従来例における封止栓部の模式図 （ａ）従来例における角形リチウム二次電池の封口板に溶接した封止栓部の斜視図、（ｂ）同封止栓部のＡ−Ａ線断面図

符号の説明

１ 封口板
２ 注液孔
２ａ 貫通孔
２ｂ 窪み部
３ 封栓部材
３ａ 封止部材
３ｂ 板状支持体
４ 電池ケース
４ａ 開口部
５ 極板群（発電要素）
６ 上部絶縁板
７ 上部絶縁ガスケット
８ 外部負極端子
９ 下部絶縁ガスケット
１０ 下部絶縁板
１１ 内部負極端子
１２ 負極リード
１３ 正極リード
１４ 立上げ部
５０ 加圧棒
１１０ 源泉工程
１１１ 群構成工程
１１２ 組立工程

Claims (6)

1. 帯状の正極板および負極板とこれらの間にセパレータを介在させて積層または渦巻状に巻回してなる極板群が電池ケース内に収納され、この電池ケースの開口部が非水電解液を注入する注液孔を具備した封口板で封口されて構成され、前記注液孔が封栓部材で封止された密閉形電池において、前記封栓部材は注液孔に圧入される封止部材と封口板に溶接される板状支持体によって構成され、かつ前記板状支持体の形状を少なくとも一辺に円弧部を有する方形にしたことを特徴とする密閉形電池。
2. 板状支持体の形状を相対向する辺に円弧部を有する方形にしたことを特徴とする請求項１に記載の密閉形電池。
3. 封口板に窪み部が形成され、この窪み部に板状支持体を結合したことを特徴とする請求項１に記載の密閉形電池。
4. 帯状の正極板および負極板とこれらの間にセパレータを介在させて積層または渦巻状に巻回して極板群を構成した後、電池ケース内に前記極板群を収納し前記電池ケースの開口部を非水電解液が注入できる注液孔を具備した封口板で封口し、注液孔より電解液を注液した後、注液孔に圧入される封止部材と板状支持体によって構成される封栓部材で前記注液孔を封止する際に、前記板状支持体の円弧部を溶接し封栓部材を封口板に固着することを特徴とする密閉形電池の製造方法。
5. レーザー溶接のレーザービームが円弧状の軌道を描いて板状支持体に設けた少なくとも一辺の円弧部を溶接して封栓部材を封口板に固着することを特徴とする請求項４に記載の密閉形電池の製造方法。
6. 封栓部材の板状支持体に設けた相対向する辺の円弧部をレーザー溶接のレーザービームが円弧状の軌道を描いて溶接し、封栓部材を封口板に固着することを特徴とする請求項４に記載の密閉形電池の製造方法。

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