JP2013041788A

JP2013041788A - リチウムイオン二次電池

Info

Publication number: JP2013041788A
Application number: JP2011179506A
Authority: JP
Inventors: Norimasa Miura; 教昌三浦; Katsunari Norita; 克哉乘田; Atsushi Kurobe; 淳黒部
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2013-02-28

Abstract

【課題】作用する外力に対する強度が高く、製造コストを抑制したリチウムイオン二次電池を提供する。
【解決手段】ステンレス鋼箔を素材として、当該素材を絞り加工した底面部、縦壁部７及びフランジ部８を有する加工品の前記縦壁部及び／又は底面部に電極端子用の空孔６を形成したケース部品２の内部に電極及びセパレータが収納され、前記空孔から絶縁部品９を介して電極端子４，５が導出されており、前記ケース部品のフランジ部に蓋用部品３を重ね合わせて、フランジ部と蓋用部材の重ね合わせ部をシーム溶接で接合した構造とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステンレス鋼箔をケースの素材としたリチウムイオン二次電池に関する。

リチウムイオン二次電池は、高エネルギーを有するため、移動体通信機器用電源や携帯用情報端末用電源などに利用されているが、近年は地球温暖化対策として普及が広がっているハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用電源なども利用され始めている。

従来、このようなリチウムイオン二次電池のケースには、アルミニウム薄板やステンレス薄鋼板を素材として、それらの素材を円筒状や角筒状に深絞り加工したものが用いられてきた。この場合の素材板厚は０．５〜０．８ｍｍであるが、軽量化を図るために板厚が０．１ｍｍ以下のアルミニウム箔を基材として、その基材の表面にポリプロピレンなどの樹脂フィルムを積層したアルミラミネート材をケース素材として用いたポリマー型電池が利用されるようになってきた。
ポリマー型電池は、アルミラミネート材を絞り加工してフランジ付きのカップ品に成形し、そのカップ品内にセパレータを挟んだ正負極の電極を収納するとともに、正極と負極の電極の各々をカップ品のフランジ部から導出して電極端子を形成した後、電極を収納したカップ品に同じ素材のカップ品や平板の蓋部品を重ね合わせてフランジ部で素材に積層してある樹脂フィルム同士を溶融するヒートシールによって接合している。その接合が完了した後に、ケース内に電解液を注入してリチウムイオン二次電池を完成させている。
このようなアルミラミネート材を用いた電池ケースは、軽量化を図れるものの、基材がアルミニウムであるために外力に対する強度が低いため、その電池ケースを保護する補強板を別に設ける必要がありリチウムイオン二次電池のコストが高くなるという課題がある。また、蓋部品の接合やアルミニウム基材と電極との絶縁を行うために基材に樹脂フィルムを積層したラミネート材を用いる必要があり、素材の面からもコストが増加する要因を持っている。

現状のポリマー型電池用ケースの外力に対する強度不足に起因したコスト増加要因を排除するために、特許文献１には、オーステナイト系ステンレス箔を素材とし、カップ品と蓋部品との接合にヒートシールやシーム溶接を併用する方法が提案されている。この方法は、正極と負極をカップ品のフランジ部と蓋部品との重ね合わせ部から導出しているため、電極導出するフランジ部のみにケースと電極とを絶縁するための樹脂フィルムを積層しており、その樹脂フィルムを使ってヒートシールしている。しかし、この方法では、素材にオーステナイト系ステンレス箔を用いているのでアルミラミネート材を用いたケースのような外力に対する強度不足は解消されるものの、ヒートシールするフランジ部に樹脂フィルムを積層する工程やシーム溶接とヒートシールの２種類の接合工程を設ける必要があるため、製造する際のコストを抑制することは困難である。

特開２００４−５２１００号公報

このように、従来から提案されているポリマー型電池用ケースは、オーステナイト系ステンレス箔を素材とすることにより外力に対する強度は補えるものの、正極と負極の各々の電極を、ケースを形成するカップ品のフランジ部から導出して端子としているため、製造上のコストは抑制できない状況である。このコストの低減が課題である。

そのため、本発明では、リチウムイオン二次電池の製造工程を少なくして製造上のコストを低減でき、外力に対する強度も有することができるリチウムイオン二次電池用ケースを提供することを目的とする。

本発明のリチウムイオン二次電池は、その目的を達成するため、ステンレス鋼箔を素材として、当該素材を絞り加工した底面部、縦壁部及びフランジ部を有する加工品の前記縦壁部及び／又は底面部に電極端子用の空孔を形成したケース部品の内部に電極及びセパレータが収納され、前記空孔から絶縁部品を介して電極端子が導出されており、前記ケース部品のフランジ部に蓋用部品を重ね合わせて、フランジ部と蓋用部品の重ね合わせ部をシーム溶接で接合した構造を特徴としている。
また、蓋用部品としてはステンレス鋼箔を素材とした平板を用いることが好ましい。
さらに、本発明のリチウムイオン二次電池は、ステンレス鋼箔を素材として、底面部、縦壁部、フランジ部及び電極端子用空孔を有するケース部品を製造する工程として絞り加工と電極端子用空孔を打抜き加工するプレス工程と、電極及びセパレータをケース部品の内部に収納して前記空孔から電極端子を導出する工程と、空孔と電極端子の間に絶縁部品を装着する工程と、ケース部品のフランジ部に蓋用部品を重ね合わせて、当該重ね合わせ部をシーム溶接する工程と、電解液を注入する工程から製造されることを特徴としている。

本発明のリチウムイオン二次電池においては、ケース部品にステンレス鋼箔を用いているため、従来のアルミニウムを基材としたアルミラミネート材を用いたケースより素材自体の強度が上がるため、ケースにおける外力に対する強度も上がり、これによって電池自体も変形しにくくなる。
また、電極及びセパレータを収納するケース部品と蓋用部品との接合は、電極端子をケース部品の縦壁部や底面部から導出するため、ケース部品と蓋用部品との接合領域にヒートシールや絶縁機能を付与するための樹脂フィルムを積層することが不要となり、シーム溶接で実施することができる。また、ケース部品の絞り加工と電極端子を導出する空孔を形成するための打抜き加工は、別々の工程ではなく、同一プレス機内で連続して行う。そのため、接合に関連する工程や加工の工程を少なくすることができるため、製造上のコストも低減することが可能である。さらに、ケース部品や蓋用部品を成形した際に、アルミニウムなどより強度の高いステンレス鋼箔を素材とするためフランジ部に小さなうねりが生じる可能性があるが、フランジ部に小さなうねりが生じたとしても、シーム溶接で上下の電極により押圧しながら接合するため信頼性の高い接合を行うことができる。
素材であるステンレス鋼箔の鋼種としては、電解液や周囲環境に対する耐食性および外力に対する強度の能力があれば特に限定する必要はなく、オーステナイト系ステンレス鋼やフェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼などを適用できる。

本発明の実施形態１に係るリチウムイオン二次電池の模式図本発明の実施形態２に係るリチウムイオン二次電池の模式図本発明の実施形態３に係るリチウムイオン二次電池の模式図本発明の実施形態４に係るリチウムイオン二次電池の模式図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るリチウムイオン二次電池１の模式図であり、素材であるステンレス鋼箔を絞り加工して電極端子４、５を導出する空孔６を有するケース部品２と空孔６を有していない絞り加工した蓋用部品３とをシーム溶接したケースを用いている。空孔６は、ケース部品２の縦壁部７に設けている。

ケース部品２と絞り加工した蓋用部品３は、ステンレス鋼箔を素材として用いている。ステンレス鋼箔としては、鋼種を限定するものでなく、何れの種類のステンレス鋼でも構わないが、電解液や周囲環境に対する耐食性およびリチウムイオン二次電池１に作用する外力に対する強度を有していることが好ましい。このステンレス鋼箔の板厚も特に限定されないが、通常０．１ｍｍ以下である。

ケース部品２は、ステンレス鋼箔をフランジ８付きの筒形状に絞り加工されており、縦壁部７には正極の電極端子４と負極の電極端子５を導出する空孔６が打抜き加工で形成されている。これらの絞り加工と打抜き加工は、別工程ではなく、同一プレス機内で連続して行う。ここで、ケース部品２の断面形状は、円形や四角形などのどのようなものでも構わず、円形断面とした場合は円筒形状、四角形断面の場合は角筒形状のケース部品２となる。リチウムイオン二次電池の配列を考慮すると、隙間ができにくい角筒形状が好ましい。このケース部品２内に、図示していないが、セパレータを挟んだ正負極の電極を収納し、空孔６から各々の電極端子４と５を導出する。空孔６は電極端子４および５よりも多少大きい寸法にしており、電極端子４および５と空孔６との間の隙間には、ケース部品２と電極との絶縁を図るために絶縁部品９が装着されている。絶縁部品９の材質は、特に規定されないが、ポリプロピレンなどの樹脂製品を用い、必要に応じて絶縁部品９を溶融・固着して密閉度を向上させても良い。蓋用部品３は、ケース部品２と同じステンレス鋼箔で同じ寸法と形状であるが、空孔６は設けていない構造である。

これらのケース部品２と蓋用部品３は、電極端子４と５を空孔６から導出させ、絶縁部品９を装着した後に、フランジ８をシーム溶接して接合される。この場合のシーム溶接は、電極端子４、５と電極との衝突を避けるため、ケース部品２のフランジ８に接触する電極は断面形状が四角形などの棒状のものを用い、蓋用部品３のフランジ８に接触する電極は円盤状の電極とする。そして、蓋用部品３のフランジ８に接触する電極輪を回転させて溶接する。その後は、図示していないが、注入口から電解液を注入して注入口を封止してリチウムイオン二次電池１が完成となる。

（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態２に係るリチウムイオン二次電池１の模式図であり、空孔６をケース部品２の底面部１０に設けている以外は、用いる素材や電極端子４と５の導出方法や電極端子４、５とケース部品２との絶縁方法、蓋用部品３の仕様、電解液の注入方法は実施形態１と同じである。また、ケース部品２に加工方法は、空孔６の形成位置が異なるだけで、絞り加工と打抜き加工で実施されることも実施形態１と同じである。
実施形態２でのケース部品２と蓋用部品３との接合方法は、実施形態１と同様にシーム溶接であるが、この場合のシーム溶接はケース部品２のフランジ８と蓋用部品３のフランジ８に接触する電極は、両方とも円盤状の電極であり、これら両方の電極輪を回転させて溶接する。

（実施形態３）
図３は、本発明の実施形態３に係るリチウムイオン二次電池１の模式図であり、ケース部品２と同じ素材の平板の蓋用部品１１を用いていること以外は、用いる素材やケース部品２に加工方法、電極端子４と５の導出方法や電極端子４、５とケース部品２との絶縁方法、電解液の注入方法は実施形態１と同じである。
平板の蓋用部品１１は、ケース部品２のフランジ８とシーム溶接で接合するため、フランジ８を含んだケース部品２の開口部全体を覆う寸法となる。ここでのシーム溶接方法は実施形態１と同じである。

（実施形態４）
図４は、本発明の実施形態４に係るリチウムイオン二次電池１の模式図であり、ケース部品２と同じ素材の平板の蓋用部品１１を用いていること以外は、用いる素材やケース部品２に加工方法、電極端子４と５の導出方法や電極端子４、５とケース部品２との絶縁方法、電解液の注入方法は実施形態２と同じである。
平板の蓋用部品１１は、ケース部品２のフランジ８とシーム溶接で接合するため、フランジ８を含んだケース部品２の開口部全体を覆う寸法となる。ここでのシーム溶接方法は実施形態２と同じである。

実施形態１に関する実施例１を以下に説明する。ケース部品２および絞り加工した蓋用部品３の素材としては、板厚０．１ｍｍのＳＵＳ３０４箔とした。ケース部品２の寸法は、幅１５０ｍｍ、奥行き１００ｍｍ、高さ２０ｍｍ、フランジ８の幅１０ｍｍとした。また、正極の電極端子４は銅素材とし、板厚０．１ｍｍで幅１０ｍｍとした。負極の電極端子５はアルミニウム素材とし、板厚０．１ｍｍで幅１０ｍｍとした。これらの電極端子４、５の寸法に見合う空孔６を、ケース部品２の短辺側の縦壁７に、幅１５ｍｍ、高さ０．５ｍｍの寸法で設けた。ケース部品２の製造は、同一のプレス機内で加工品を送って成形していく連続多段プレス加工とし、ブランク抜き加工、絞り加工、打抜き加工、フランジトリミング加工の４工程とした。また、絞り加工した蓋用部品３は、この４工程の内、空孔６を形成する打抜き加工を行わずに製造した。
このような工程で製造したケース部品２にセパレータを挟んだ正負極の電極を収納し、空孔６から電極端子４、５を導出した。電極端子４、５と空孔６との隙間には、絶縁部品９としてポリプロピレン製のフィルムを充填し、そのフィルムを１２０℃で加熱して電極端子４、５およびケース部品２と絶縁した状態で固着した。
その後、ケース部品２と絞り加工した蓋用部品３をフランジ８でシーム溶接を行った。溶接条件は、加圧力を０．５ｋＮ、溶接電流を４ｋＡの連続通電、溶接速度を０．１ｍ／ｍｉｎとした。電極は、ケース部品２のフランジ８に接触する側は断面形状が正四角形で、１辺の長さが８ｍｍの棒状とし、絞り加工した蓋用部品３のフランジ８に接触する電極は直径１００ｍｍ、幅８ｍｍの円盤状とした。ケース部品２のフランジ８に接触する棒状の電極は固定し、絞り加工した蓋用部品３のフランジ８に接触する電極輪を回転させて溶接した。その後、六フッ化燐酸リチウムをベースとした電解液を注入してリチウムイオン二次電池１の製造を完了した。

実施形態２に関する実施例２を以下に説明する。ケース部品２は、空孔６の形成位置をケース部品２の底面部１０に設けたこと以外は、実施例１と加工工程も含めて同じであり、その他の電極端子４、５の仕様や導出方法、絶縁方法、絞り加工した蓋用部品３の仕様や加工方法も実施例１と同じである。ケース部品２の底面部１０に設けた空孔６の寸法は実施例１と同じであるが、打抜き加工をケース部品２の底面部１０に対して行った。また、ケース部品２のフランジ８と絞り加工した蓋用部品３のフランジ８とのシーム溶接は、電極として直径１００ｍｍ、幅８ｍｍの電極輪を両方のフランジに接触させて行い、加圧力を０．５ｋＮ、溶接電流を４ｋＡの連続通電、溶接速度を０．１ｍ／ｍｉｎの条件で溶接した。その後、六フッ化燐酸リチウムをベースとした電解液を注入してリチウムイオン二次電池１の製造を完了した。

実施形態３に関する実施例３を以下に説明する。品ケース部品２の仕様や加工方法、電極端子４、５の仕様や導出方法、絶縁方法は実施例１と同じである。蓋としては、平板の蓋用部品１１とし、ケース部品２と同じ素材、板厚としている。平板の蓋用部品の寸法は、幅１７０ｍｍ、奥行き１２０ｍｍとした。ケース部品２と平板の蓋用部品１１との接合は、実施例１と同じ方法であり、平板の蓋用部品１１に電極輪を接触させた。溶接後、六フッ化燐酸リチウムをベースとした電解液を注入してリチウムイオン二次電池１の製造を完了した。

実施形態４に関する実施例４を以下に説明する。ケース部品２の仕様や加工方法、電極端子４、５の仕様や導出方法、絶縁方法は実施例２と同じである。蓋としては、平板の蓋用部品１１とし、ケース部品２と同じ素材、板厚としている。平板の蓋用部品１１の寸法は、幅１７０ｍｍ、奥行き１２０ｍｍとした。ケース部品２と平板の蓋用部品１１との接合は、実施例１と同じ方法であり、平板の蓋用部品１１に電極輪を接触させた。溶接後、六フッ化燐酸リチウムをベースとした電解液を注入してリチウムイオン二次電池１の製造を完了した。

比較例

比較例として、ケース部品２と蓋用部品３および１１の素材として、板厚が０．１ｍｍのアルミニウム箔（品種：Ａ１Ｎ３０）を基材として片面に厚さ３０μｍのポリプロピレンフィルムを積層したアルミラミネート材を用いて、実施例１〜４のリチウムイオン二次電池１を製造した。ただし、ケース部品２と蓋用部品３、１１との接合は、加圧力を０．２ＭＰａ、加熱温度を１２０℃の条件でヒートシールとした。
実施例１〜４および比較例の方法で製造したリチウムイオン二次電池１を９０℃の雰囲気下で1ヶ月放置して各々の電池の状態を評価した。評価した結果、ケース部品２や蓋用部品３、１１にステンレス箔を用いた場合はリチウムイオン二次電池１に変形は見られなかったが、ケース部品２や蓋用部品３、１１にアルミラミネート材を用いた場合は内圧により膨らんだ形状に変形していた。

本発明にかかるリチウムイオン二次電池は、ポリマー型リチウムイオン二次電池として使用するのに好適である。

１リチウムイオン二次電池、２ケース部品、３絞り加工した蓋用部品、４正極の電極端子、５負極の電極端子、６空孔、７縦壁部、８フランジ部、９絶縁部品、１０底面部、１１平板の蓋用部品

Claims

ステンレス鋼箔を素材として、当該素材を絞り加工した底面部、縦壁部及びフランジ部を有する加工品の前記縦壁部及び／又は底面部に電極端子用の空孔を形成したケース部品の内部に電極及びセパレータが収納され、前記空孔から絶縁部品を介して電極端子が導出されており、前記ケース部品のフランジ部に蓋用部品を重ね合わせて、フランジ部と蓋用部品の重ね合わせ部をシーム溶接で接合した構造を特徴とするリチウムイオン二次電池。
蓋用部品として、ステンレス鋼箔を素材とした平板を用いることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。
ステンレス鋼箔を素材として、底面部、縦壁部、フランジ部及び電極端子用空孔を有するケース部品を製造する工程として絞り加工と電極端子用空孔を打抜き加工するプレス工程と、電極及びセパレータをケース部品の内部に収納して前記空孔から電極端子を導出する工程と、空孔と電極端子の間に絶縁部品を装着する工程と、前記ケース部品のフランジ部に蓋用部品を重ね合わせて、当該重ね合わせ部をシーム溶接する工程と、電解液を注入する工程から製造されることを特徴とするリチウムイオン二次電池。