JP2010238404A - 密閉型電池及び密閉型電池の製造方法 - Google Patents

密閉型電池及び密閉型電池の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ケースの側面が内側に凹んだ状態で作製されることにより最大厚みが減じ、使用時の膨れも抑制されている密閉型電池及び密閉型電池の製造方法を提供する。
【解決手段】電池1は、開口縁部が矩形状をなす有底筒状のケース2に発電要素を収容し、前記開口縁部に蓋体3を嵌合してなる。蓋体3の中央部には、断面視がT字状をなす負極端子4がガスケット5に包囲された状態で設けられている。蓋体3の長手側面は、長手方向の中央部に、蓋体3の表面寄りに形成され、表面と90度の角度をなす垂設面部3aと、蓋体3の裏面寄りに形成され、蓋体3の短手方向の中央部に傾斜した傾斜部3bとを備えている。蓋体3を前記開口縁部に嵌合し、ケース2の広側面の中央部を押圧し、該広側面の内壁を傾斜部3bに押し付けた状態で、蓋体3の周縁部と前記開口縁部とをレーザ溶接することにより電池1が作製される。
【選択図】図7

Description

本発明は、ケースに発電要素を収容し、ケースの開口縁部に蓋体を嵌合してなる密閉型電池及び密閉型電池の製造方法に関する。
近年、ビデオカメラ,モバイルコンピュータ,携帯電話機等の携帯電子機器の小型軽量化及び多様化に伴い、その電源である電池に対して、小型かつ軽量であり、高エネルギー密度を有し、貯蔵安定性等の信頼性も高く、長期間繰り返して充放電が可能である二次電池の開発が強く要求されている。
これらの要求を満たす二次電池として、非水電解質を含有する非水電解質二次電池が挙げられる。
非水電解質二次電池の代表例として、リチウムイオン二次電池が挙げられる。リチウムイオン二次電池は、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能である活物質からなる負極と、遷移金属酸化物、弗化黒鉛、及びリチウムと遷移金属との複合酸化物等からなる正極と、非水電解質とを有する。非水電解質は、非プロトン性有機溶媒にLiBF4 、LiPF6 、LiClO4 、LiAsF6 、LiCF3 SO3 等のリチウム塩を混合してなる。
リチウムイオン二次電池の一例として、前記正極及び負極がセパレータを介して巻回された扁平巻状の電極群を、一面が開口し、アルミニウム(Al)又はAl合金からなるケースに収容し、ケースの開口をAl又はAl合金製の蓋体により密閉してなるものが挙げられる。
このリチウムイオン二次電池等の密閉型電池においては、仕様を超えた条件で充放電されたり、加熱されたりした場合に、電池内部でガスが発生し、電池の内圧が異常に上昇する。蓋体及びケースが内圧の異常上昇に耐えられなくなった場合、破裂して収容物が飛散する虞がある。これを防ぐために、蓋体又はケースには、電池内圧が所定値以上に上昇した場合に開裂して電池内圧を開放する開裂弁が設けられている。
図10は、従来の電池(密閉型電池)51を示す斜視図である。
電池51は、銅集電体に負極合剤を塗布してなる負極板、及びAl集電体に正極合剤を塗布してなる正極板がセパレータを介して巻回された扁平巻状の電極群、並びに非水電解質(図示せず)を、一面が開口した略直方体状をなし、Al又はAl合金製のケース52に収容し、ケース52の開口をAl又はAl合金製の蓋体53により閉塞してなる。
平面視が略矩形状をなす蓋体53の中央部には、平板状の頭部及び円筒状の脚部を有し、断面視がT字状をなす負極端子54が、表面が露出するようにガスケット55に嵌め込まれた状態で、蓋体53を貫通するように設けられている。電池51は、ケース52、及び蓋体53の負極端子54が設けられている部分以外の部分が正極(端子)となる。
蓋体53の一端部には、平面視が略長円状をなす上述の開裂弁56がプレス加工によって凹設されており、蓋体53の他端部には、平面視が略矩形状をなす凹部57がプレス加工によって設けられている。
図11は、蓋体53を示す斜視図である。図中、開裂弁56及び凹部57は省略している。
図11に示すように、蓋体53の各側面は、蓋体53の表面と90度の角度をなす垂設面部53aと、裏面寄りにC面取りしてなるC面部53bとから構成されている。
図12は、蓋体53の周縁部とケース52の開口縁部とをレーザ溶接する状態を示す斜視図であり、図13は、図12のXIII−XIII線断面図である。
図12に示すように、蓋体53をケース52の開口縁部に嵌合し、蓋体53の周縁部と前記開口縁部との境界部分(図中、太線で示した部分)をレーザ溶接する。図13中、58は溶接部を示す。
図14は、溶接部58が凝固した後の状態を示す断面図である。
溶接部58が凝固して縮んだ場合に、ケース52は剛性によって外側に反り、結果として電池51が膨らむことになる。
特許文献1には、蓋体をケースより少しオーバーサイズに作製し、蓋体の側面の裏面寄りテーパ部を備え、溶接時に、該テーパ部によりルート部の先端近くまで溶け込むので、ルート割れを防止することができ、密閉性が良好である電池ケースの接合方法の発明が開示されている。
特開2002−8615号公報
特許文献1の電池ケースの接合方法においては、蓋体をケースより少しオーバーサイズに作製しており、溶接部58が凝固したときに、図13の電池と同様に、又はそれ以上に、接合部の凝固収縮によりケースが少し外側に反った状態で、電池が作製されるという問題があった。
従来の電池及び特許文献1の電池においては、ケースの外側に反った部分が電池の最大厚みとなり、この最大厚みの低減化が求められていた。
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、ケースの側面が内側に凹んだ状態で作製されることにより電池の最大厚みが低減し、使用時の膨れも抑制されている密閉型電池及び密閉型電池の製造方法を提供することを目的とする。
第1発明に係る密閉型電池は、開口縁部が長円状又は矩形状をなす有底筒状のケースに発電要素を収容し、前記開口縁部に蓋体を嵌合し、該蓋体の周縁部と前記開口縁部とを溶接してなる密閉型電池において、前記蓋体の長手側面の裏面寄りに、前記蓋体の短手方向の中央部に傾斜した傾斜部を備え、前記長手側面に対応する前記ケースの側面を、該側面が内側に凹むように前記傾斜部に密着させた状態で、前記蓋体の周縁部と前記開口縁部とを溶接してなることを特徴とする。
本発明においては、発電要素を圧迫するように、ケースの側面を内側に凹ませた状態で作製されるので、ケースが外側に反るのが抑制され、密閉型電池(電池)の最大厚みが低減する。使用時の電池の膨れも抑制される。そして、ケースの側面が蓋体の傾斜部に密着した状態で蓋体の周縁部とケースの開口縁部とが溶接されるので、溶接不良は生じず、電池の密閉性は良好である。
第2発明に係る密閉型電池は、第1発明において、前記蓋体の長手側面の長手方向の中央部に、前記傾斜部を備えることを特徴とする。
本発明においては、ケースの側面の中央部を圧迫し、前記側面の内壁を蓋体の中央部に設けられた傾斜部に密着させた状態で、蓋体の周縁部とケースの開口縁部とを溶接して作製されるので、効果的に電池の最大厚みを低減することができる。また、使用時に膨れやすい発電要素の中央部が圧迫されるので、電池の膨れを長期的に抑制することができる。
第3発明に係る密閉型電池は、第1発明において、前記傾斜部は、前記長手側面の両端部から中央部に向かうに従い、漸増的に傾斜するように設けられていることを特徴とする。
蓋体の側面の端部に、蓋体の厚み方向の略全体に亘って傾斜部を設けた場合、対応するケースの角部を良好に該傾斜部に密着することができず、溶接不良の部分が生じる可能性もある。
本発明においては、傾斜部が、前記長手側面の両端部から中央部に向かうに従い、漸増的に傾斜するように設けられているので、蓋体の側面とケースの開口縁部とが良好に密着し、良好に溶接され得る。
第4発明に係る密閉型電池は、第1乃至第3発明のいずれかにおいて、前記傾斜部と前記蓋体の表面とのなす角度は、80度以上90度未満であることを特徴とする。
本発明においては、蓋体の周縁部とケースの開口縁部とが良好に密着して溶接され得る。
第5発明に係る密閉型電池は、第1乃至第4発明のいずれかにおいて、前記発電要素は非水電解質を含むことを特徴とする。
本発明においては、高エネルギー密度化が要求され、しかも薄型化が要求されている非水電解質電池に対し、良好に薄型化を実現することができ、使用時の電池の膨れを抑制することができる。
第6発明に係る密閉型電池の製造方法は、第1発明の密閉型電池の製造方法であって、前記蓋体の長手側面の裏面寄りに備えられ、前記蓋体の短手方向の中央部に傾斜した傾斜部に、前記ケースの対応する側面を、該側面が内側に凹むように密着させる工程と、前記蓋体の周縁部と前記ケースの開口縁部とを溶接する工程とを有することを特徴とする。
本発明においては、発電要素を圧迫するようにケースの内側を凹ませた状態で作製するので、最大厚みが低減し、使用時の膨れも抑制された電池が得られる。
本発明によれば、ケースの側面を内側に凹ませ、発電要素を圧迫した状態で電池を作製するので、ケースが外側に反るのが抑制され、電池の最大厚みが低減する。使用時の電池の膨れも抑制される。そして、ケースの側面が蓋体の傾斜部に密着した状態で蓋体の周縁部とケースの開口縁部とが溶接されるので、溶接不良は生じず、電池の密閉性は良好に保持される。
本発明の実施の形態1に係る密閉型電池(電池)を示す斜視図である。 本発明の実施の形態1に係る電池の蓋体を示す一部破断側面図である。 本発明の実施の形態1に係る蓋体を示す拡大斜視図である。 図3のIV−IV線断面図である。 本発明の実施の形態1に係る蓋体の周縁部とケースの開口縁部とをレーザ溶接する状態を示す斜視図である。 図5のVI−VI線断面図である。 本発明の実施の形態1に係る電池の一部拡大断面図である。 本発明の実施の形態2に係る蓋体を示す斜視図である。 電池の最大厚みを測定した結果を示すグラフである。 従来の電池を示す斜視図である。 従来の電池の蓋体を示す斜視図である。 従来の電池の蓋体の周縁部とケースの開口縁部とをレーザ溶接する状態を示す斜視図である。 図12のXIII−XIII線断面図である。 従来の電池の溶接部が凝固した後の状態を示す断面図である。
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1に係る密閉型電池(以下、電池という)1を示す斜視図、図2は電池1の蓋体3を示す一部破断側面図である。
電池1はリチウムイオン二次電池であり、銅集電体に負極合剤を塗布してなる負極板、及びAl集電体に正極合剤を塗布してなる正極板がセパレータを介して巻回された扁平巻状の電極群、並びに非水電解質(図示せず)を、一面が開口した略直方体状をなし、Al又はAl合金製のケース2に収容し、ケース2の開口を、矩形状をなし、Al又はAl合金製の蓋体3により閉塞してなる。
蓋体3の中央部には、平板状の頭部41、及び円筒状の脚部42を有し、断面視がT字状をなす負極端子4が、該負極端子4の表面を除き、合成樹脂製であり、絶縁性を有するガスケット5に包囲された状態で、蓋体3を貫通するように設けられている。負極端子4は、ニッケル材又はニッケルめっきを施した鋼材からなる。電池1は、ケース2、及び蓋体3の負極端子4が設けられている部分以外の部分が正極(端子)となる。
蓋体3の一端部には、電池1の内部圧力の異常な上昇時に圧力を開放するために他の部分よりも肉厚を薄くしており、平面視が略長円状をなす開裂弁31がプレス加工により凹設されている。開裂弁31は、裏面が蓋体3の他の部分の裏面と同一平面上にあるように設けられている。蓋体3の他端部には、平面視が略矩形状をなす凹部32がプレス加工により設けられており、該凹部32の下側には突設部33が形成されている。
蓋体3の裏面の中央部には、合成樹脂製の絶縁体6が、該絶縁体6の蓋体3の一端部側の長さを他端部側の長さより長くした状態で設けられている。該絶縁体6の凹部には、銅製であり、板状をなす集電体7が収容されている。該集電体7にはタブ71が垂設され、該タブ71には、前記電極群の負極板に接続された負極リードが接続されるように構成されている。負極端子4の脚部42は、絶縁体6及び集電体7を貫通した後、端部がかしめられて蓋体3に固定される。
前記突設部33には、Al製であり、板状をなす集電体8が接続されている。該集電体8に垂設されたタブ81には、前記電極群の正極板に接続された正極リードが接続される。
電池1に、過充電及び過放電を防止するための保護回路及び入出力端子を有する保護回路基板を配して電池パックを構成するときに、負極端子4はリードを介して該保護回路基板の一方の接続端子と接続され、凹部32はクラッド材及びリードを介して保護回路基板の他方の接続端子と接続されるように構成されている。
図3は蓋体3を示す拡大斜視図であり、図4は図3のIV−IV線断面図である。図3及び図4において、開裂弁31及び凹部32は省略している。
蓋体3の2つの長手側面はそれぞれ、中央部の、該長手側面の長さの略1/3に相当する部分に、垂設面部3aと傾斜部3bとを備えている。垂設面部3aは、蓋体3の表面寄りに、表面と90度の角度をなすように形成されている。傾斜部3bは、蓋体3の裏面寄りに形成され、蓋体3の短手方向の中央部に傾斜している。傾斜部3bは、前記長手側面の高さ(蓋体厚み)の略80%に相当する部分に形成されている。
蓋体3の側面の前記傾斜部3bが設けられていない部分は、蓋体3の表面側は該表面と90度をなし、裏面側にはC面取りしてなるC面部3cが形成されている。
蓋体3は上述した形状を有するように、プレス加工により製造される。
傾斜部3bは長手側面の中央部の、該長手側面の長さの1/3以上1/2以下に相当する部分に形成されるのが好ましい。また、傾斜部3bは長手側面の高さの30%以上に相当する部分に形成されるのが好ましい。傾斜部3bは長手側面の高さ方向全体に亘って形成してもよいが、長手側面に垂設面部3aを備えるのが好ましい。
そして、傾斜部3bと蓋体3の表面に平行な面とのなす角度は80度以上90度未満であるのが好ましい。
傾斜部3bは蓋体3の少なくとも1つの長手側面に形成してあればよいが、電池1の最大厚みがより低減されるので、2つの長手側面に形成してあるのが好ましい。
以下に、電池1の製造方法について説明する。
まず、蓋体3に設けられた前記タブ71に前記電極群の負極リードを接続し、前記タブ81に前記正極リードを接続した状態で、前記電極群をケース2に挿入し、蓋体3をケース2の開口縁部に嵌合する。
次に、蓋体3の周縁部とケース2の開口縁部とをレーザ溶接する。
図5は、前記周縁部と開口縁部とをレーザ溶接する状態を示す斜視図、図6は図5のVI−VI線断面図、図7は一部拡大断面図である。図6において、負極端子4及びガスケット5は省略している。
図5〜7に示すように、ケース2の広側面の中央部を内側に凹むように押圧し、該広側面の内壁を蓋体3の傾斜部3bに密着させた状態で、蓋体3の周縁部と前記開口縁部とが接している部分(図5の太線で示した部分)をレーザ溶接する。ケース2が内側に押圧されているので、溶接部11が凝固し、縮んだ場合においてもケース2が外側に反って膨れることはなく、電池1の最大厚みが低減される。
そして、蓋体3の図示しない注入孔から非水電解質を注入し、該注入孔を閉塞することにより電池1が得られる。
本実施の形態においては、上述したように、蓋体3の長手側面の中央部に傾斜部3bを備えており、ケース2の広側面の中央部を圧迫し、ケース2の広側面を傾斜部3bに密着させた状態で蓋体3の周縁部とケース2の開口縁部とを溶接するので、密閉性良好に溶接することができるとともに、効果的に電池1の最大厚みを低減することができる。また、使用時に膨れやすい発電要素の中央部を圧迫することができるので、電池1の膨れを長期的に抑制することができる。
実施の形態2.
実施の形態2に係る電池は、実施の形態1に係る電池1と同様の構成を有し、蓋体13の形状が実施の形態1に係る蓋体3の形状と異なる。
図8は蓋体13を示す斜視図である。
蓋体13の中央部には、平板状の頭部及び円筒状の脚部を有し、断面視がT字状をなす負極端子14が、該負極端子14の表面を除き、合成樹脂製であり、絶縁性を有するガスケット15に包囲された状態で、蓋体13を貫通するように設けられている。
蓋体13の2つの長手側面はそれぞれ、両端部から中央部に向かうに従い、漸増的に傾斜するように構成されている。長手側面は中央部の、該長手側面の長さの略1/3に相当し、最も傾斜が大きい第1傾斜部13aと、端部から中央部に向かい、次第に傾斜面積及び傾斜の度合が大きくなり、側面視が三角形状をなす第2傾斜部13b,13bとを備えている。第1傾斜部13aは、前記長手側面の高さ(蓋体厚み)の略80%に相当する部分に形成されている。
長手側面の第1傾斜部13a、及び第2傾斜部13b,13bが形成されていない部分は、蓋体3の表面側は該表面と90度をなし、裏面側はC面取りされている。
蓋体3の短手側面は、蓋体3の表面側は該表面と90度をなし、裏面側にはC面取りされてC面部13cが形成されている。
第1傾斜部13aは長手側面の中央部の、該長手側面の長さの1/3以上1/2以下に相当する部分に形成されるのが好ましい。また、第1傾斜部3は長手側面の高さの30%以上に相当する部分に形成されるのが好ましい。第1傾斜部3は長手側面の高さ方向全体に亘って形成してもよいが、長手側面は表面寄りに該表面と90度をなす部分を備えるのが好ましい。
そして、第1傾斜部13aと蓋体3の表面に平行な面とのなす角度は80度以上90度未満であるのが好ましく、これに対応して、第2傾斜部13b,13bは、端部から中央部に向かうに従い、傾斜が漸増するように形成される。
第1傾斜部13a、及び第2傾斜部13b,13bは蓋体3の少なくとも1つの長手側面に形成してあればよいが、電池1の最大厚みがより低減されるので、2つの長手側面に形成してあるのが好ましい。
実施の形態2に係る電池は、実施の形態1に係る電池1と同様に、蓋体13をケース2の開口縁部に嵌合した後、ケース2の広側面の中央部を内側に凹むように押圧し、該広側面の内壁を蓋体13の第1傾斜部13a、及び第2傾斜部13b,13bに密着させた状態で、蓋体13の周縁部と前記開口縁部とが接している部分をレーザ溶接することにより製造される。
本実施の形態においては、第2傾斜部13b,13bが、蓋体13の長手側面の両端部から中央部に向かうに従い、漸増的に傾斜するように設けられているので、蓋体13の長手側面とケース2の開口縁部とがさらに良好に密着することができ、良好に蓋体13の周縁部と前記開口縁部とが溶接され得る。そして、蓋体13の長手側面の中央部に形成された第1傾斜部13aの傾斜の度合が最も大きいので、ケース2の広側面の中央部を圧迫して電池を製造するときに、効果的に電池の最大厚みを低減することができる。また、使用時に膨れやすい発電要素の中央部が圧迫されているので、電池の膨れを抑制することができる。
以下に好適な実施例を用いて本発明を説明するが、本発明は、本実施例により、何ら限定されるものではなく、その主旨を変更しない範囲において、適宜変更して実施することができる。
前記実施の形態1に係る電池1を作製した。
ケース2の大きさは、幅34mm、高さ36mm、厚み5.2mmである。
蓋体3の大きさは、縦4.8mm、横33.5mm、厚み0.8mmである。蓋体3の裏面には上下方向の寸法が0.2mmであるC面部3cを形成した。
傾斜部3bは、蓋体3の長手側面の中央部の、長さが蓋体3の長さの1/3に相当し、高さが該長手側面の高さの80%に相当する部分に形成した。
そして、傾斜部3bの、蓋体3の表面に平行な面となす角度(傾斜部角度)を80度、82度、84度、85度、86度、87度、88度、89度、89.5度に変えて、9種類の蓋体3を作製した。各蓋体3を、それぞれケース2の開口縁部に嵌合し、ケース2の広側面の中央部を押圧し、広側面の内壁を傾斜部3bに押し付けた状態で、YAGレーザを用いて蓋体3の周縁部と前記開口縁部とをレーザ溶接して、各実施例の電池1を作製した。溶接条件は、レーザ出力3〜4J、溶接速度10〜15mm/secである。比較例として、長手側面と表面とがなす角度が90度である蓋体(傾斜部角度が90度である場合に相当する)を作製し、実施例と同様にして電池を作製した。
各電池につき、完成電池の最大厚みを測定した。
図9は、電池の最大厚みを測定した結果を示すグラフであり、横軸は傾斜部角度(度)、縦軸は電池の最大厚み(mm)である。
図9より、傾斜部角度が80度以上90度未満である実施例の場合、前記角度が90度である比較例より電池の最大厚みが低減していることが分かる。実施例の中でも、傾斜部角度が85度以上89.5度以下である場合、さらに電池の最大厚みを低減することができ、傾斜部角度が88度である場合、最も電池の最大厚みが低減することが分かる。
以上より、蓋体3の長手側面に傾斜部3bを備えることにより、電池1の最大厚みがケース2の幅狭側面の厚みに近づくように良好に低減し、電池1の薄型化を図ることができることが確認された。
なお、前記実施の形態1及び2においては、蓋体3,13の側面が裏面寄りにC面部3c,13cを備える場合につき説明しているがこれに限定されるものではなく、R面部を備えることにしてもよい。
また、ケース2の開口縁部及び蓋体3,13が矩形状をなす場合には限定されず、ケース2の開口縁部及び蓋体3,13が長円状をなす場合であってもよい。
そして、ケース2がAl製又はAl合金製である場合につき説明しているがこれに限定されるものではなく、ケース2は他の金属製であってもよい。
さらに、蓋体3,13の周縁部とケース2の開口縁部とをレーザ溶接する場合には限定されず、電子ビーム溶接等の他の熱源溶接により蓋体の周縁部とケースの開口縁部とを溶接することにしてもよい。
また、電池1がリチウムイオン二次電池である場合につき説明しているがこれに限定されるものではなく、ニッケル・水素二次電池、ニッケル・カドミウム二次電池等の他の二次電池、及び一次電池であってもよい。
1 電池
2 ケース
3、13 蓋体
3a 垂設面部
3b 傾斜部
3c、13c C面部
13a 第1傾斜部
13b 第2傾斜部
4、14 負極端子
41 頭部
42 脚部
5、15 ガスケット
6 絶縁体
7、8 集電体
71、81 タブ

Claims (6)

  1. 開口縁部が長円状又は矩形状をなす有底筒状のケースに発電要素を収容し、前記開口縁部に蓋体を嵌合し、該蓋体の周縁部と前記開口縁部とを溶接してなる密閉型電池において、
    前記蓋体の長手側面の裏面寄りに、前記蓋体の短手方向の中央部に傾斜した傾斜部を備え、
    前記長手側面に対応する前記ケースの側面を、該側面が内側に凹むように前記傾斜部に密着させた状態で、前記蓋体の周縁部と前記開口縁部とを溶接してなることを特徴とする密閉型電池。
  2. 前記蓋体の長手側面の長手方向の中央部に、前記傾斜部を備えることを特徴とする請求項1に記載の密閉型電池。
  3. 前記傾斜部は、前記長手側面の両端部から中央部に向かうに従い、漸増的に傾斜するように設けられていることを特徴とする請求項1に記載の密閉型電池。
  4. 前記傾斜部と前記蓋体の表面とのなす角度は、80度以上90度未満であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の密閉型電池。
  5. 前記発電要素は非水電解質を含むことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の密閉型電池。
  6. 請求項1に記載の密閉型電池の製造方法であって、
    前記蓋体の長手側面の裏面寄りに備えられ、前記蓋体の短手方向の中央部に傾斜した傾斜部に、前記ケースの対応する側面を、該側面が内側に凹むように密着させる工程と、
    前記蓋体の周縁部と前記ケースの開口縁部とを溶接する工程と
    を有することを特徴とする密閉型電池の製造方法。
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