JP2013048038A

JP2013048038A - 電池の製造方法および電池

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Publication number: JP2013048038A
Application number: JP2011185670A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Yoshida; 吉田　　浩明; Takeshi Honda; 豪本田
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2013-03-07

Abstract

【課題】安全弁形成時の工程数が増加するのを抑制しながら、安全弁の作動圧のばらつきを抑制することが可能な電池の製造方法を提供する。
【解決手段】この電池の製造方法は、ＡｌまたはＡｌ合金からなる外装ケース１の底面１１の中央部を放電加工することによって、底面１１の中央部を薄肉に加工しながら少なくとも底面１１の中央部の素材を軟化させて安全弁を形成する工程を備える。
【選択図】図２

Description

この発明は、電池の製造方法および電池に関し、特に、安全弁を形成する工程を備えた電池の製造方法および安全弁を備えた電池に関する。

従来より、航空・宇宙用等に用いられる大型電池に安全弁を形成する方法としては、金属容器からなる外装ケースの一部に、切削加工で溝を形成して、その部分の板厚を薄くする方法が採用されている。そのような安全弁が形成される外装ケースとしては、軽量化等の点からＡｌまたはＡｌ合金からなるアルミニウムケースが用いられており、深絞り成形やインパクト成形で、有底長円筒形状などの所定の形状に加工されている。特に、インパクト成形で加工したアルミニウムケースは機械的硬化が生じるため、安全弁を切削加工で形成すると、繰り返し変形に弱く、安全弁の部分が割れやすくなるといった問題があった。

また、安全弁を形成する工程を備えた電池の他の製造方法としては、例えば、特許文献１に記載される方法が知られている。

上記特許文献１には、電池の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に作動する安全弁を、アルミニウム（Ａｌ）またはＡｌ合金からなる外装ケースの蓋体に形成する工程を備えた電池の製造方法が開示されている。この蓋体に設けられる安全弁には、電池の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に開裂（破断）するように薄肉の開裂部（薄肉部）が形成されている。そして、上記特許文献１の電池の製造方法では、蓋体にプレス加工等によって薄肉の開裂部（薄肉部）を形成した後、プレス加工等により加工硬化した開裂部を焼き鈍して軟化させている。これにより、開裂部（薄肉部）の耐圧強度を低下させることができるので、その分開裂部の肉厚を大きくして安全弁の作動圧のばらつきを抑制している。

特開２００９−２８９６３７号公報

しかしながら、上記特許文献１の電池の製造方法では、開裂部（薄肉部）の肉厚を大きくして安全弁の作動圧のばらつきを抑制可能である一方、蓋体にプレス加工等によって薄肉の開裂部を形成した後、プレス加工等により加工硬化した開裂部を焼き鈍して軟化させる必要があるので、開裂部を形成する工程とは別個に、開裂部を軟化させるための工程が別途必要となり、その分、安全弁形成時の工程数が増加するという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、安全弁形成時の工程数が増加するのを抑制しながら、安全弁の作動圧のばらつきを抑制することが可能な電池の製造方法、および、そのような電池を提供することである。

この発明の第１の局面による電池の製造方法は、ＡｌまたはＡｌ合金からなる外装ケースの所定部分を放電加工することによって、所定部分を薄肉に加工しながら少なくとも所定部分の素材を軟化させて安全弁を形成する工程を備える。なお、素材の軟化とは、素材強度が小さくなること、本発明では、素材自体の引張強度が小さくなることを意味する。

この発明の第１の局面による電池の製造方法では、上記のように、放電加工することにより、ＡｌまたはＡｌ合金からなる外装ケースの所定部分を薄肉に加工しながら少なくとも所定部分の素材を軟化させて安全弁を形成することによって、放電加工により外装ケースの所定部分を容易に薄肉に加工することができるとともに、放電加工時の熱を利用して薄肉に加工するのと同時に外装ケースの所定部分の素材を軟化させることができるので、外装ケースの所定部分を薄肉に加工する工程と、所定部分を軟化させる工程とを同時に行うことができる。その結果、安全弁形成時の工程数が増加するのを抑制することができる。また、外装ケースの所定部分に形成された薄肉部の素材が軟化されるので、薄肉部の耐圧強度が低下して、その分、薄肉部の厚みを大きくすることができる。これにより、薄肉部の厚みのばらつきによる耐圧強度への影響を小さくすることができ、その結果、薄肉部の厚みのばらつきに起因する安全弁の作動圧のばらつきを抑制することができる。したがって、本発明の電池の製造方法では、安全弁形成時の工程数が増加するのを抑制しながら、安全弁の作動圧のばらつきを抑制することができる。また、薄肉部の素材を軟化させることにより薄肉部をより柔軟にすることができるので、落下等による外部からの衝撃力に起因して薄肉部が損傷を受けるのを抑制することができる。

上記第１の局面による電池の製造方法において、好ましくは、安全弁を形成する工程は、冷間鍛造加工により形成された外装ケースの前記所定部分を放電加工することにより、所定部分を薄肉に加工しながら少なくとも前記所定部分の素材を軟化させて安全弁を形成する工程を含む。このように構成すれば、外装ケースが冷間鍛造加工により形成される際に加工硬化する場合でも、放電加工により外装ケースの所定部分を薄肉に加工しながら、放電加工時の熱を利用して薄肉に加工するのと同時に外装ケースの所定部分の素材を軟化させることができるので、繰り返し変形が加わっても薄肉にされた部分が割れ難く、安全弁の信頼性が向上するとともに、安全弁形成時の工程数が増加するのを抑制しながら、安全弁の作動圧のばらつきを抑制することができる。

上記第１の局面による電池の製造方法において、好ましくは、安全弁を形成する工程は、外装ケースの所定部分を放電加工することにより、所定部分の素材強度を５０％以上９５％以下に低下させて安全弁を形成する工程を含む。このように、箱形状の外装ケースの所定の面に位置する所定部分の素材強度を５０％以上にすることにより、所定部分に形成された薄肉部の耐圧強度が過度に低くなるのを抑制することができる。また、外装ケースの所定部分の素材強度を９５％以下にすることにより、薄肉部を外装ケースの他の部分よりも破断し易くして安全弁を適切に作動させることができる。

この発明の第２の局面による電池は、発電要素が内部に収納され、ＡｌまたはＡｌ合金からなる外装ケースと、外装ケースの所定部分を放電加工により薄肉に加工しながら少なくとも所定部分の素材が軟化されて形成された安全弁とを備える。

この発明の第２の局面による電池では、上記のように、ＡｌまたはＡｌ合金からなる外装ケースの所定部分を放電加工により薄肉に加工しながら少なくとも所定部分の素材が軟化されて形成された安全弁を設けることによって、放電加工により外装ケースの所定部分を薄肉に加工しながら、放電加工時の熱を利用して薄肉に加工するのと同時に外装ケースの所定部分の素材を軟化させて安全弁を形成することができるので、外装ケースの所定部分を薄肉に加工する工程と、所定部分を軟化させる工程とを同時に行うことができる。その結果、安全弁形成時の工程数が増加するのを抑制することができる。また、外装ケースの所定部分に形成された薄肉部の素材が軟化されるので、薄肉部の耐圧強度が低下して、その分、薄肉部の厚みを大きくすることができる。これにより、薄肉部の厚みのばらつきによる耐圧強度への影響を小さくすることができ、その結果、薄肉部の厚みのばらつきに起因する安全弁の作動圧のばらつきを抑制することができる。したがって、本発明の電池では、安全弁形成時の工程数が増加するのを抑制しながら、安全弁の作動圧のばらつきを抑制することができる。また、薄肉部の素材が軟化されることにより薄肉部がより柔軟になるので、落下等による外部からの衝撃力に起因して薄肉部が損傷を受けるのを抑制することができる。

本発明によれば、安全弁形成時の工程数が増加するのを抑制しながら、安全弁の作動圧のばらつきを抑制することが可能な電池を製造することができる。

本発明の一実施形態による電池の全体構成を示した斜視図である。本発明の一実施形態による電池の外装ケースを示した斜視図である。本発明の一実施形態による電池の外装ケースの底面を示した平面図である。図３の３００−３００線に沿った断面図である。本発明の一実施形態による電池の安全弁の開放手順を説明するための斜視図である。本発明の一実施形態による電池の製造方法を説明するための概略図である。本発明の一実施形態による電池の第１変形例を示した平面図である。本発明の一実施形態による電池の第２変形例を示した平面図である。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、図１〜図４を参照して、本発明の一実施形態による電池１００の構成について説明する。

本発明の一実施形態による電池１００は、図１に示すように、非水系電解質電池の一種であるリチウムイオン電池である。この電池１００は、有底長円筒形状の外装ケース１と、外装ケース１の開口部１aを封口するように設けられた蓋体１３とを備えている。また、蓋体１３から上方に突出するように、正極端子３および負極端子４が設けられている。また、外装ケース１（図１参照）の内部には、図示はしないものの、非水系電解液とともに、発電要素が収納されている。

外装ケース１は、図１および図２に示すように、長円形状（トラック形状）の底面１１と、底面１１の外縁から上方（Ｚ１方向）に延びる側面１２とを有し、長円筒形状（箱形状）に形成されている。また、外装ケース１は、アルミニウム（Ａｌ）またはＡｌ合金からなり、好ましくは、Ａｌ合金のＡ３００３により構成されている。また、箱形状の外装ケース１は、インパクト加工（衝撃押し出し加工）により、底面１１と側面１２とが一体的に形成されている。インパクト加工とは、冷間鍛造加工の一種であり、深絞り加工とは異なり、１回のプレス工程で目的の形状に成形する加工方法である。

ここで、本実施形態では、図１、図２および図３に示すように、底面１１の中央部には、安全弁１１１が形成されている。安全弁１１１は、電池１００の過充電等により外装ケース１の内圧が異常に高くなった場合に開放されて外装ケース１の内部からガスを放出するように構成されている。具体的には、底面１１の中央部には、外装ケース１の他の部分よりも厚みが小さい薄肉部１１１ａが形成されており、安全弁１１１は、薄肉部１１１ａが外装ケース１の内圧により破断されることによって開放されるように構成されている。なお、底面１１の中央部は、本発明の「所定部分」の一例である。

薄肉部１１１ａは、放電加工により薄肉に加工されている。また、薄肉部１１１ａは、放電加工時の熱により焼き鈍されて素材が軟化されている。すなわち、薄肉部１１１ａは、放電加工により薄肉に加工されながら、同時に放電加工時の熱により素材が軟化されている。薄肉部１１１ａの素材は、その強度が５０％以上９５％以下になるように軟化されていることが好ましい。なお、薄肉部１１１ａの素材強度の低下率は、放電加工の前・後の薄肉部１１１ａの素材強度（素材自体の引張強度）を測定して算出する以外にも、例えば、放電加工後の薄肉部１１１ａの素材強度と、放電加工時の熱の影響を受けていない外装ケースの別部分の素材強度とを測定することによっても算出できる。つまり、薄肉部１１１ａの素材強度が５０％以上９５％以下になるように軟化させるとは、安全弁１１１が外装ケース１の底面１１に形成される場合には、薄肉部１１１ａの素材強度が、放電加工時の熱影響を受けていない底面１１以外の面（側面１２）の素材強度の５０％以上９５％以下になるように軟化されていることと同じである。

また、薄肉部１１１ａは、図３に示すように、長円形状（トラック形状）の底面１１の長手方向側（Ｘ方向側）の中心線Ｃ１に対して線対称の形状に形成されている。また、薄肉部１１１ａは、長円形状（トラック形状）の底面１１の短手方向側（Ｙ方向側）の中心線Ｃ２に対して線対称の形状に形成されている。薄肉部１１１ａの中心線Ｃ１よりもＸ１方向側の部分は、略Ｃ字形状を有するとともに、薄肉部１１１ａの中心線Ｃ１よりもＸ２方向側の部分は、反転された略Ｃ字形状を有している。薄肉部１１１ａの中心線Ｃ１よりもＸ１方向側の部分およびＸ２方向側の部分は、互いに中心線Ｃ１上のＹ方向に延びる開放起点部１１１ｂにおいて連結されている。また、薄肉部１１１ａの中心線Ｃ１よりもＸ１方向側の部分により囲まれた領域に弁体１１１ｃが形成され、薄肉部１１１ａの中心線Ｃ１よりもＸ２方向側の部分により囲まれた領域に弁体１１１ｄが形成されている。また、図４に示すように、外装ケース１の薄肉部１１１ａ以外の部分は、約０．５ｍｍ以上約２ｍｍ以下の厚みｔ１を有し、薄肉部１１１ａは、約０．１ｍｍ以上約１ｍｍ以下の厚みｔ２を有している。また、薄肉部１１１ａの放電加工により形成された表面の表面粗さは、０．１ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、安全弁１１１の作動圧がばらつくのを抑制することが可能である。

安全弁１１１の開放手順としては、電池１００の過充電等により外装ケース１の内圧が異常に高くなった場合に、図２に示す状態から、図５に示すように、まず、中央のＹ方向に延びる開放起点部１１１ｂが最初に開いた（破断した）後、開放起点部１１１ｂ以外のＸ方向に延びる薄肉部１１１ａに沿って薄肉部１１１ａにより囲まれる弁体１１１ｃおよび１１１ｄが徐々に開放されるように構成されている。

次に、図１および図６を参照して、本発明の一実施形態による電池１００の製造方法について説明する。

まず、冷間鍛造加工の一種であるインパクト加工により、底面１１および側面１２が一体的に設けられた箱形状（長円筒形状）の外装ケース１を形成する。このように冷間鍛造加工により外装ケース１を形成することによって、外装ケース１が加工硬化して素材強度が増加する。次に、放電加工により、底面１１の中央部を薄肉に加工して薄肉部１１１ａを形成する。この際、底面１１の中央部を薄肉に加工するのと同時に、放電加工時の熱により底面１１の中央部を焼き鈍して軟化させる。具体的には、まず、安全弁１１１の薄肉部１１１ａの形状に対応する形状の電極２００を形成する。この際、電極２００の底面１１に対向する表面２００ａの表面粗さを０．１ｍｍ以下に構成することによって、薄肉部１１１ａの放電加工により形成される表面の表面粗さを０．１ｍｍ以下にすることが可能である。そして、所定の加工液中において、図６に示すように、電極２００を底面１１の中央部に近づけることにより、電極２００と底面１１との間にアーク放電を生じさせる。これにより、底面１１の電極２００に対向する部分が薄肉に加工されて電極２００の形状に対応する形状の薄肉部１１１ａが形成される。この際、放電加工時の熱によりＡｌまたはＡｌ合金からなる外装ケース１の薄肉部１１１ａが焼き鈍される温度（たとえば、Ａ３００３の場合には、約４１５℃以上の温度）に加熱されるように放電加工条件（電極２００に印加する電圧などの条件）を設定することによって、底面１１の中央部を薄肉に加工しながら同時に焼き鈍して軟化させることが可能である。また、温度条件（放電加工条件）を制御することによって、安全弁１１１の薄肉部１１１ａを、安全弁１１１が位置する外装ケース１の底面１１以外の面（側面１２）の素材強度の５０％以上９５％以下の任意の素材強度に制御可能である。

次に、正極集電端子および負極集電端子が取り付けられた発電要素を非水系電解液とともに外装ケース１内に収納して、正極端子３および負極端子４を上方に突出させた状態で蓋体１３により外装ケース１の開口部１ａを封口する。このようにして、本発明の一実施形態による電池１００が製造される。

本実施形態では、上記のように、放電加工することにより、ＡｌまたはＡｌ合金からなる外装ケース１の底面１１の中央部を薄肉に加工しながら少なくとも底面１１の中央部の素材を軟化させて安全弁１１１を形成することによって、放電加工により外装ケース１の底面１１の中央部を容易に薄肉に加工することができるとともに、放電加工時の熱を利用して薄肉に加工するのと同時に外装ケース１の底面１１の中央部の素材を軟化させることができるので、外装ケース１の底面１１の中央部を薄肉に加工する工程と、底面１１の中央部を軟化させる工程とを同時に行うことができる。その結果、安全弁形成時の工程数が増加するのを抑制することができる。また、外装ケース１の底面１１の薄肉部１１１ａの素材が軟化されるので、薄肉部１１１ａの耐圧強度が低下して、その分、薄肉部１１１ａの厚みｔ２を大きくすることができる。これにより、薄肉部１１１ａの厚みｔ２のばらつきによる耐圧強度への影響を小さくすることができ、その結果、薄肉部１１１ａの厚みｔ２のばらつきに起因する安全弁１１１の作動圧のばらつきを抑制することができる。したがって、本実施形態の電池の製造方法では、安全弁形成時の工程数が増加するのを抑制しながら、安全弁１１１の作動圧のばらつきを抑制することができる。また、薄肉部１１１ａの素材を軟化させることにより薄肉部１１１ａをより柔軟にすることができるので、落下等による外部からの衝撃力に起因して薄肉部１１１ａが損傷を受けるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、冷間鍛造加工の一種であるインパクト加工により成形された外装ケース１の底面１１の中央部を放電加工することにより、底面１１の中央部を薄肉に加工しながら少なくとも底面１１の中央部の素材を軟化させて安全弁１１１を形成する。このため、外装ケース１がインパクト加工により成形されて加工硬化しても、安全弁１１１の部分の素材が軟化しているので、繰り返し変形が加わっても薄肉にされた部分が割れ難く、安全弁の信頼性が向上するとともに、安全弁形成時の工程数が増加するのを抑制しながら、安全弁１１１の作動圧のばらつきを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、外装ケース１の底面１１の中央部を放電加工することにより、底面１１の中央部の素材強度が外装ケース１の底面１１以外の面（側面１２）の素材強度の５０％以上９５％以下になるように軟化させて安全弁１１１を形成する。このように、外装ケース１の底面１１の中央部の素材強度を外装ケース１の底面１１以外の面（側面１２）の素材強度の５０％以上にすることにより、底面１１の中央部に形成された薄肉部１１１ａの耐圧強度が過度に低くなるのを抑制することができる。また、外装ケース１の底面１１の中央部の素材強度を外装ケース１の底面１１以外の面（側面１２）の素材強度の９５％以下にすることにより、底面１１の中央部の素材強度が底面１１以外の面（側面１２）の素材強度の９５％よりも大きい場合とは異なり、薄肉部１１１ａを外装ケース１の他の部分よりも破断し易くして安全弁１１１を適切に作動させることができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、安全弁を外装ケースの底面に形成する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、外装ケースの側面など、安全弁を外装ケースの底面以外の面に形成してもよい。

また、上記実施形態では、本発明の外装ケースの一例として、長円筒形状の外装ケースを示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえば、円筒形や角筒形など、長円筒形状以外の外装ケースであってもよい。

また、上記実施形態では、冷間鍛造加工の一例としてのインパクト加工により外装ケースを形成する構成を示したが、インパクト加工以外の冷間鍛造加工により外装ケースを形成することも可能である。また、通常の絞り加工により形成された外装ケースにも適用可能である。

また、上記実施形態では、安全弁の薄肉部を図３に示す形状に形成する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえば、図７および図８のそれぞれに示す第１および第２変形例のように、図３に示す形状以外の形状に安全弁１１２、１１３の薄肉部１１２ａ、１１３ａを形成してもよい。

また、上記実施形態では、本発明の電池を、非水系電解質電池の一種であるリチウムイオン電池に適用する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明の電池を、たとえば、水系電解質電池の一種であるニッケル水素電池やリチウムイオン電池以外の非水系電解質電池に適用してもよい。

１外装ケース
１１底面（所定の面）
１３蓋体
１００電池
１１１、１１２、１１３安全弁
１１１ａ、１１２ａ、１１３ａ薄肉部

Claims

ＡｌまたはＡｌ合金からなる外装ケースの所定部分を放電加工することによって、前記所定部分を薄肉に加工しながら少なくとも前記所定部分の素材を軟化させて安全弁を形成する工程を備える、電池の製造方法。
前記安全弁を形成する工程は、冷間鍛造加工により形成された前記外装ケースの前記所定部分を放電加工することにより、前記所定部分を薄肉に加工しながら少なくとも前記所定部分の素材を軟化させて安全弁を形成する工程を含む、請求項１に記載の電池の製造方法。
前記安全弁を形成する工程は、前記外装ケースの前記所定部分を放電加工することにより、前記所定部分の素材強度を５０％以上９５％以下に低下させて前記安全弁を形成する工程を含む、請求項１または２に記載の電池の製造方法。
発電要素が内部に収納され、ＡｌまたはＡｌ合金からなる外装ケースと、
前記外装ケースの所定部分を放電加工により薄肉に加工しながら少なくとも前記所定部分の素材が軟化されて形成された安全弁とを備える、電池。