JP2009043584A - 有底円筒形状の電池およびその製造方法とその製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池ケースに溝入れローラを押し込むことにより内向きに環状溝部を形成する溝入れ工程において、溝入れローラと電池ケースの接触により、溝入れローラの磨耗が発生し溝入れロ−ラの寿命が短くなるという課題を有していた。本発明は電池ケース１と溝入れローラの接触を抑制し溝入れローラの長寿命化を行うことを目的とする。
【解決手段】環状溝部１０の構造を最深部から電極群側をＲの連続部からなる断面形状有する構造とすることにより、環状溝部１０を形成する溝入れ加工に用いる溝入れローラと電池ケース１の接触を減らすことにより、溝入れローラの磨耗を防ぎ長寿命化を図ることを目的とした非水系二次電池である。
【選択図】図１

Description

本発明は、有底円筒形状の電池に関し、発電要素を内部に収容した有底円筒形状の電池ケースに設けた環状溝部とその溝入れに関するものである。

近年、ＡＶ機器或いはパソコン等の各種電子機器のポータブル化やコードレス化が急激に進んでおり、これらの駆動用電源として、高エネルギー密度で負荷特性の優れた密閉型電池が要望されている。特に電圧及びエネルギー密度が高く、貯蔵寿命が長いなどの多くの特徴を有する特にリチウム二次電池が脚光を浴びている。

例えば、図５（ａ）に示すように円筒形のリチウム二次電池は、正極板３６と、負極板３８とをセパレータ３７を介して渦巻状に捲回した後、この渦巻状の電極群３５を有底筒状の電池ケース３１の内部に収容し、次いでこの電池ケース３１内に所定量の電解液を注液した後、電池ケース３１の開口部にガスケットを周縁に取り付けた封口板３９を挿入し、電池ケース３１の開口部を内方向に折り曲げて封口している。

このため、電池ケース３１の開口部近傍の内周面には、封口板３９を載せて支持するための環状溝部３０が形成されており、この環状溝部３０は電池ケース３１の開口部近傍の外周面に電池ケース３１の内側に膨出する部分により形成される。なお、渦巻状の極板電極群３５の上部から引き出された正極用リードは電池ケース３１の封口以前に封口板３９に溶接される。

このように封口板３９を支持するための環状溝部３０を電池ケース３１に形成するための方法や環状溝部３０の形状については、種々提案されている。この環状溝部３０の形状としては、図５（ｂ）に示すようにストレート部３３を持つ環状溝部３０の傾きθが６０度以上となり、溝深さＤと肉厚ｔの関係がＤ/ｔ≦６となる環状溝部３０の形状が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、環状溝部の形成方法と形状として、図６に示されるように環状溝部４２の最深部から電極群側に一定角度の傾きとストレート部４３を持つ形状となっており、その形成方法としては溝入れローラを押し込むことで電池ケース４１の中心向きに形成される環状溝部４２の膨出量に応じて電池ケース４１の底部を支える下型の押し上げ量を調整し、電池ケース４１の側壁の肉厚ｔ１と環状溝部４２の最も薄肉化された部分ｔ２との比ｔ１：ｔ２が１：０．８〜０．９５となり、下側に傾きのついた環状溝部４２の形状と形成方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、環状溝部の形成方法と形状として、図７に示されるように環状溝部５２の最深部５４から電極群３５側にストレート部５３を持つ形状となっており、その形成方法としては電池ケース５１の底部と開口部の両端部を加圧した状態で電池ケース５１を回転させ、溝入れローラを電池ケース５１の中心方向に押し込むことで環状溝部５２を形成することにより、環状溝部５２の薄肉化を防ぐ方法が提案されている（例えば、特許文献３、特許文献４参照）。
特開２００５−２９３９２２号公報 特開２００５−０１９０５０号公報 特開平０９−０６３５４８号公報 特開平０９−１９９０９２号公報

しかしながら、上述した特許文献１の従来技術では、図５（ｂ）に示すように環状溝部３０の傾きθが６０度以上となっているために、一度の溝入れ工程では成形を完成させることができず、最終工程として電池ケース３１の軸に沿って底部側に加重をかけて圧縮を行う必要があり、完成まで時間がかかり、生産性が悪いという課題を有していた。また、環状溝部３０が最深部より電極群側にストレート部３３を持つ形状となっているために、溝入れ作業時に溝入れローラと電池ケース３１の接触が大きくなり溝入れローラの寿命が短くなるという課題を有していた。

また、特許文献２に示されている形状では、図６に示すように環状溝部４２は一定角度の傾きを持つ形状となっており、形状的に深い環状溝部４２を形成できないために溝深さが浅くなり、封口板を載せる座が小さく、封口板の支持力が弱いために封止性に劣るという課題を有していた。また、環状溝部４２の形状から見ると、溝入れ作業時に溝入れローラと電池ケース４１の接触が大きくなり溝入れローラの寿命が短くなるという課題を有していた。

さらに、特許文献３、特許文献４に示される環状溝部５２の形状は特許文献３と特許文献４で加工方法は異なるが環状溝部５２の形状は同一であり、図７に示されるように環状溝部５２は最深部５４から電極群３５側がストレート部５３を持つ形状となっている。

さらにこの環状溝部５２を加工する製造装置として、図９に示されるような金型ブロック６３をバネ６５で連結し封口時に電池ケース５１の内径方向に金型ブロック６３が移動し金型受け部６２で電池ケース５１を側面より加圧して封口板５９を載置する環状溝部５２を成形する。その後に電池ケース５１の開口部をかしめ封口する封口金型６１を用いた二次電池の製造装置の平面図である。

その図９の製造装置を縦断面から見た模式図である図８に示されるように、環状溝部５２に挿入する金型ブロック６３にある金型受け部６２の根元付近の肉厚が薄く、封口金型６５にて電池ケース５１の開口部をかしめる際に金型受け部６２の曲げ強度が小さくなりたわみ量が増えるために受け精度が悪く、封口精度が悪化して封止性に劣る。また、溝入れ作業時に溝入れローラと電池ケース５１の接触が大きくなり溝入れローラの寿命が短くなるという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を鑑みてなされたものであり、電池ケースの環状溝部の断面形状が直線を持たず円弧を連続する断面形状ことで、電池ケースの開口部をかしめ封口する際、金型受け部の根元付近の肉厚を大きくすることを可能とし、受け精度を向上させ、封口精度の高い封口を可能とすることにより封止性の高い有底円筒形状の電池を得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に本発明では、有底円筒形状の電池ケース内に電解液と共に発電要素を収納し、封口体で密封した有底円筒形状の電池であって、封口体を載置した電池ケースの環状溝部の断面形状が直線を持たず円弧を連続する断面形状であることを特徴としている。

本発明によれば、電池ケースの環状溝部の断面形状が直線を持たず円弧を連続する断面形状である構造とすることにより、溝入れ加工に用いる溝入れローラと電池ケースの接触を小さくすることにより、ローラの寿命を長くすることができる。また、電池封口工程に
おいて環状溝部に挿入する金型受け部の根元付近の肉厚を大きくすることができるので受け精度が大きくなり高い封口精度の封口が可能となるために封止性の高い非水形二次電池を得ることが可能となる。

本発明の第１の発明においては、有底円筒形状の電池ケース内に電解液と共に発電要素を収納し、封口体で密封した有底円筒形状の電池であって、封口体を載置した電池ケースの環状溝部の断面形状が直線を持たず円弧を連続する断面形状であることにより、電池ケースの開口部をかしめ封口する際に環状溝部に挿入する金型受け部の強度を増すことが可能で封口精度の高い封口が可能となり、封止性の高い電池を得ることができる。

本発明の第２の発明においては、金属箔からなる集電体の上に少なくとも正極活物質または負極活物質を担持した正極板および負極板とセパレータとを介して渦巻状に巻回して形成した電極群を非水電解液と共に上部が開口している有底円筒形状の電池ケースに収容し、電池ケースの開口部の近傍を内向きに形成した部分が最深部から電極群側をＲの連続部からなる断面形状である環状溝部により支持された封口板により電池ケースを密閉してなる構造としたことにより、封口板を載置する場所を大きく確保することが可能で、さらに電池封口工程において環状溝部に挿入する金型受け部の根元付近の肉厚を大きくすることができるので受け精度が大きくなり高い封口精度の封口が可能となるので封止性の高い非水系二次電池を得ることができる。

本発明の第３の発明においては、電池ケースの側壁と電池ケースの環状溝部との肉厚が同等の厚みである構造としたことにより、環状溝部の強度が高くなり、精度の高い封口した漏液を削減できる電池となる。

本発明の第４の発明においては、有底円筒形状の電池ケース内に正極と負極を含む発電要素と電解液とを収納し、封口体で前記電池ケースの開口部を密封する有底円筒形状の電池の製造方法であって、電池ケースの開口部の近傍を電池ケースの外側から内向きに溝入れローラを押し込むと同時に環状溝部を形成する材料を補給しながら、電池ケースに断面形状が円弧を連続する断面形状を有する封口体を支持する環状溝部を形成することにより、環状溝部に挿入する金型受け部の強度を増すことが可能で電池ケースの開口部をかしめ封口する際に封口精度の高い封口が可能となり、封止性の高い電池を得ることができる。

本発明の第５の発明においては、金属箔からなる集電体の上に少なくとも正極活物質または負極活物質を担持した正極板および負極板とセパレータとを介して渦巻状に巻回して形成した電極群を上部が開口している有底円筒形状の電池ケースに収容し、電池ケースの底部が上下動可能な下型に保持されて軸方向の上向きに移動し、電池ケースの開口部が上型に押し当てられ、密着した前記上型により電池ケースを回転させ、下型を軸方向の上向きに送ることにより環状溝部に電池ケースの底部側から材料を補給し、電池ケースの開口部の近傍を電池ケースの側壁の外側から溝入れローラを押し込むことで電池ケースに最深部から電極群側をＲの連続部からなる断面形状を有する環状溝部を電池ケースの内向きに形成した後、非水電解液を注入し環状溝部により支持された封口板により電池ケースを密閉することにより、封口板を載置する場所を大きく確保することが可能な上、電池ケースをかしめ封口する工程において環状溝部に挿入する金型受け部の根元付近の肉厚を大きくすることができるので受け精度が大きくなり封口精度の高い封口が可能となる。

本発明の第６の発明においては、溝入れローラと電池ケースとの接触面積を小さくして、電池ケースに最深部から電極群側をＲの連続部からなる断面形状を有する環状溝部を形成することにより、溝入れ加工に用いる溝入れローラと電池ケースの接触が小さくなり、ローラの寿命を長くすることができる。

本発明の第７の発明においては、電池ケースの開口部の近傍の側壁を外側から溝入れローラを等速で押し込みながら、電池ケースを電池ケースの底部より開口部の方向に送りながら環状溝部に連続したＲ形状を形成することにより、電池ケースの側壁と電池ケースの環状溝部との厚みが同等となり、封口精度が向上する。

本発明の第８の発明においては、有底円筒形状の電池ケース内に発電要素を収納し、封口体を載置する環状溝部を成形して電解液を注液後、封口体で密封する有底円筒形状の電池の製造装置であって、電池ケースの軸方向に上下動可能な電池ケースの底部を保持する下型と、電池ケースの開口部に押し当て回転する上型と、電池ケースの開口部の近傍に最深部から電極群側をＲの連続部からなる断面形状を有する環状溝部を押し込みながら成形する溝入れローラとで構成したことにより、環状溝部の強度向上が得られることで高い封口性が得られ生産性が向上する。

本発明の第９の発明においては、回転した電池ケースに連動して溝入れローラが自由回転する構成にしたことにより、環状溝部を成形する際、溝入れローラによる加工傷を抑制することが可能となる。

本発明の第１０の発明においては、電池ケースの開口部の近傍に最深部から電極群側をＲの連続部からなる断面形状を有する環状溝部を押し込みながら成形する溝入れローラに連動して下型が電池ケースの開口部の方向に移動する構成にしたことにより、溝入れの際に不足する環状溝部の材料を供給することが可能となり環状溝部の薄肉化の抑制ができる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。例えば、図１（ａ）に示されるように本発明の非水系二次電池では、複合リチウム酸化物を正極活物質とする正極板６とリチウムを保持しうる材料を負極活物質とする負極板８とをセパレータ７を介して渦巻状に巻回した渦巻状の電極群５を作製した。

その後、この渦巻状の電極群５を有底円筒形の電池ケース１の内部に絶縁板と共に収容し、渦巻状の電極群５の下部より導出した負極リードを電池ケース１の底部に接続し、回転を与えた電池ケース１に溝入れロ−ラを押し込むことにより環状溝部１０を形成し、次いで渦巻状の電極群５の上部より導出した正極リードを封口板９に接続する。

電池ケース１に所定量の非水溶媒からなる電解液（図示せず）を注液した後、電池ケース１の開口部に封口ガスケットを周縁に取り付けた封口板９を挿入し、電池ケース１を図３（ａ）に示すような電池ケース保持部の拡大縮小が可能な封口下型１１により保持し図２に示す封口上型１４にて加圧を加えることにより開口部を内方向に折り曲げてかしめ封口している。

ここで、電池ケース１の環状溝部１０は、その拡大図を図１（ｂ）に示したように、電池ケース１の側壁を内側に向けて変形させることにより形成され、その形状としては最深部から電極群側をＲの連続部からなる形状となっている。環状溝部１０は電池封口工程において図２に示すように電池の封口時に封口下型１１の金型受け部１２が挿入される。

この電池の封口工程に用いる封口下型１１は、図３（ｂ）に示される円弧形状の金型ブロック１３を図３（ａ）に示すバネ１５により３個連結する構造で構成されている。この封口下型１１は、通常時には金型ブロック１３の間に隙間があり電池ケース１の挿入が可能な状態であるが、バネ１５を圧縮することで金型ブロック１３を径方向の内側に移動させ、隙間を無くすことにより電池ケース１の保持状態となる。

電池の封口工程は、図３（ａ）に示される封口下型１１に開口部に封口板９を挿入した電池ケース１を挿入した後に封口下型１１のバネ１５を圧縮し、金型ブロック１３を径方向の内側に移動させ電池ケース１を保持状態とし、図２で示した封口上型１４により加圧加えて電池ケース１の開口部を内方向に折り曲げることによりかしめ封口を行うことで電池の封口工程が構成されている。この電池ケース１の保持状態では、環状溝部１０に図３（ｂ）に示される金型ブロック１３のの金型受け部１２が全周に挿入され、加圧を受けている。

このとき、図２に示すように環状溝部１０が最深部から電極群側をＲの連続部からなる形状にすることにより、封口下型１１の金型受け部１２の根元付近の肉厚を大きくすることが可能となり、金型受け部１２の曲げ強度が大きくなりたわみ量が少なくなることにより受け精度が向上し、封口精度が良くなる。

ここで、環状溝部１０の形成を行う溝入れ製造装置は図４（ａ）に示すように電池ケース１は、渦巻状の電極群５を内部に収容したものであり、その底部が上下動可能な下型３に保持されて軸方向の上向きに移動し、開口部が上型４に押し当てられ、密着した上型４が回転することにより電池ケース１に回転が与えられる。次いで、図４（ｂ）に示すように、電池ケース１への溝入れ加工は、電池ケース１の回転により回転が与えられる溝入れローラ２が、電池ケース１の外周面の開口部近傍に押当てられ、等速で所定の深さまで送られ、その結果として図１（ｂ）で示した内向きの環状溝部１０が形成される。

この際、溝入れロ−ラ２を電池ケース１に押し込むことにより環状溝部１０の肉が引き伸ばされ薄肉化が発生するが、溝入れ加工時に電池ケース１を保持した下型３を軸方向の上向きに送ることにより、環状溝部１０の下部に有る側壁から適切量の肉を供給するようになっており、薄肉化は発生しない。以下、本発明の実施例に基づいて、さらに詳しく説明する。

外径２６ｍｍ、高さ６５ｍｍのリチウムイオン二次電池用電池ケースに図１（ａ）に示されるように、環状溝部１０の最深部から電極群５側がＲの連続部からなる断面形状として電池ケース１に溝入れ加工を実行した。なお、電池ケース１は鉄素材にニッケルメッキを施したものであり、環状溝部１０を形成する部分の電池ケース１側壁の肉厚ｔは０．３ｍｍで、溝入れローラの押し込み量は１．７ｍｍである。以上の構成により作成される円筒形二次電池を実施例１とした。

（比較例１）
外径２６ｍｍ、高さ６５ｍｍのリチウムイオン二次電池電池ケースに図５（ａ）に示されるように、環状溝部３０の最深部から電極群３５側にストレート部３３を持つ形状として電池ケース３１に溝入れ加工を実行した。なお、電池ケース３１は鉄素材にニッケルメッキを施したものであり、環状溝を形成する部分の電池ケース側壁の肉厚ｔは０．３ｍｍで、溝入れローラの押し込み量は１．７ｍｍである。以上の構成により作成された円筒形二次電池を比較例１とした。

上記実施例１および比較例１により二次電池用電池ケースに溝入れ加工を行ない溝入れローラの磨耗による交換時期を調べることにより、ローラ寿命の比較を行った。さらに、実施例１及び比較例１の電池を１００００個作成して、−２０℃〜６０℃のヒートショック試験（−２０℃に２時間、６０℃に２時間で１サイクル）を２０サイクル行ない漏液発生の有無を確認して漏液率の評価を行った。なお、電池上に直径１ｍｍ以上の電解液点が４点以上ある場合を漏液発生として評価した。

（表１）の結果から明らかなように、環状溝部３０の最深部から電極群３５側にストレート部３３を持つ形状の比較例１に比べて、環状溝部１０の最深部から電極群側がＲの連続部からなる断面形状の実施例１では、溝入れローラ２と電池ケース１の接触が小さくなるために、溝入れローラ２の磨耗が減少し溝入れローラ２の寿命が５倍になる。

また、環状溝部３０の最深部から電極群側にストレート部３３を持つ比較例１に比べて、環状溝部１０の最深部から電極群側がＲの連続部からなる断面形状を持つ実施例１の方が電池ケース１の封口工程において、金型受け部１２の受け精度が大きくなるために封口精度が良いために封止性が良くなり漏液率が低くなる。

本発明に係る有底円筒形状の電池は、環状溝部の断面形状を最深部から電極群側がＲの連続部からなる断面形状とすることにより、溝入れローラの磨耗が減少し溝入れローラの長寿命化を可能とすることにより、安定した溝入れ加工が可能となるので、環状溝部を持つ電池の製造方法に有用である。

（ａ）本発明の非水系二次電池の実施の形態における一部切欠開斜視図、（ｂ）本発明の実施の形態における環状溝部の拡大図 本発明の電池封口工程の拡大図 （ａ）本発明の電池の封口工程に用いる封口下型の上面図、（ｂ）封口下型を構成する金型ブロックの斜視図 （ａ）本発明の溝部形成機構の溝入れ工程の説明図、（ｂ）本発明の溝部形成機構の溝入れ工程の説明図 （ａ）従来例における非水系二次電池の断面図、（ｂ）従来例における環状溝部の拡大図 他の従来例における環状溝部形状の模式図 他の従来例における環状溝部形状の模式図 従来例における電池封口工程封口部の拡大図 従来例における電池の封口工程に用いる封口下型の上面図

符号の説明

１ 電池ケース
２ 溝入れローラ
３ 下型
４ 上型
５ 電極群
６ 正極板
７ セパレータ
８ 負極板
９ 封口板
１０ 環状溝部
１１ 封口下型
１２ 金型受け部
１３ 金型ブロック
１４ 封口上型
１５ バネ

Claims (10)

1. 有底円筒形状の電池ケース内に電解液と共に発電要素を収納し、封口体で密封した有底円筒形状の電池であって、封口体を載置した電池ケースの環状溝部の断面形状が直線を持たず円弧を連続する断面形状であることを特徴とする有底円筒形状の電池。
2. 金属箔からなる集電体の上に少なくとも正極活物質または負極活物質を担持した正極板および負極板とセパレータとを介して渦巻状に巻回して形成した電極群を非水電解液と共に上部が開口している有底円筒形状の電池ケースに収容し、前記電池ケースの開口部の近傍を内向きに形成した部分が最深部から電極群側をＲの連続部からなる断面形状である環状溝部により支持された封口板により前記電池ケースを密閉してなる構造としたことを特徴とする請求項１に記載の有底円筒形状の電池。
3. 前記電池ケースの側壁と電池ケースの環状溝部との肉厚が同等の厚みである構造としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の有底円筒形状の電池。
4. 有底円筒形状の電池ケース内に正極と負極を含む発電要素と電解液とを収納し、封口体で前記電池ケースの開口部を密封する有底円筒形状の電池の製造方法であって、前記電池ケースの開口部の近傍を電池ケースの外側から内向きに溝入れローラを押し込むと同時に前記環状溝部を形成する材料を補給しながら、前記電池ケースに断面形状が円弧を連続する断面形状を有する前記封口体を支持する環状溝部を形成することを特徴とした有底円筒形状の電池の製造方法。
5. 金属箔からなる集電体の上に少なくとも正極活物質または負極活物質を担持した正極板および負極板とセパレータとを介して渦巻状に巻回して形成した電極群を上部が開口している有底円筒形状の電池ケースに収容し、前記電池ケースの底部が上下動可能な下型に保持されて軸方向の上向きに移動し、前記電池ケースの開口部が上型に押し当てられ、密着した前記上型により前記電池ケースを回転させ、下型を軸方向の上向きに送ることにより環状溝部に電池ケースの底部側から材料を補給し、前記電池ケースの開口部の近傍を電池ケースの側壁の外側から溝入れローラを押し込むことで前記電池ケースに最深部から電極群側をＲの連続部からなる断面形状を有する環状溝部を前記電池ケースの内向きに形成した後、非水電解液を注入し前記環状溝部により支持された封口板により前記電池ケースを密閉することを特徴とした請求項４に記載の有底円筒形状の電池の製造方法。
6. 前記溝入れローラと電池ケースとの接触面積を小さくして、前記電池ケースに最深部から電極群側をＲの連続部からなる断面形状を有する環状溝部を形成することを特徴とした請求項４または請求項５に記載の有底円筒形状の電池の製造方法。
7. 前記電池ケースの開口部の近傍の側壁を外側から溝入れローラを等速で押し込みながら、前記電池ケースを電池ケースの底部より開口部の方向に送りながら環状溝部に連続したＲ形状を形成することを特徴とした請求項４から請求項６のいずれかに記載の有底円筒形状の電池の製造方法。
8. 有底円筒形状の電池ケース内に発電要素を収納し、封口体を載置する環状溝部を成形して電解液を注液後、封口体で密封する有底円筒形状の電池の製造装置であって、前記電池ケースの軸方向に上下動可能な電池ケースの底部を保持する下型と、前記電池ケースの開口部に押し当て回転する上型と、前記電池ケースの開口部の近傍に最深部から電極群側をＲの連続部からなる断面形状を有する環状溝部を押し込みながら成形する溝入れローラとで構成したことを特徴とする有底円筒形状の電池の製造装置。
9. 回転した前記電池ケースに連動して溝入れローラが自由回転する構成にしたことを特徴とする請求項８に記載の有底円筒形状の電池の製造装置。
10. 前記電池ケースの開口部の近傍に最深部から電極群側をＲの連続部からなる断面形状を有する環状溝部を押し込みながら成形する溝入れローラに連動して下型が前記電池ケースの開口部の方向に移動する構成にしたことを特徴とする請求項８に記載の有底円筒形状の電池の製造装置。

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