JP2013093119A

JP2013093119A - 電池ケース

Info

Publication number: JP2013093119A
Application number: JP2011232827A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Watanabe; 隆洋渡邉; Hiroaki Imanishi; 裕明今西
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2013-05-16
Anticipated expiration: 2031-10-24
Also published as: JP5652372B2

Abstract

【課題】接合強度を確保し、側壁の肉厚を薄くすることが可能な電池ケースを提供すること。
【解決手段】長辺側側面部２１および短辺側側面部２２を有する側壁１２と底面とを有する角型のケース本体１０に対し、上方に形成された開口部１１に蓋板４０を嵌合させ、その蓋板４０の周縁部を上方から溶接することによりケース本体１０に接合して封口するものであり、蓋板は４０、開口部１１に嵌合した際に、短辺側側面部２２とは隙間を生じ、長辺側側面部２１とは接触する寸法で形成され、ケース本体１０は、短辺側側面部２２には蓋板４０を受ける段差部３２が形成され、長辺側側面部２１には蓋板４０との接触部分より下方の一部分にケースの底部に向けて内側に傾斜したテーパ部３１が形成されたものであり、テーパ部３１の上側位置３１ａが蓋板周縁の下面側角部４２に合わせて形成された電池ケース１。
【選択図】図１

Description

本発明は、長辺側側面部および短辺側側面部を有する側壁と底面とを有する角型のケース本体に対し、その開口部に蓋板を嵌合させて塞いだ後、溶接によってケース本体と蓋板とを接合して封口する電池ケースに関する。

リチウムイオン二次電池では、セパレータを挟んだ正極板と負極板からなる発電要素が捲回された後に扁平形状に変形され、角型の電池ケース内に収容される。その電池ケースは、ケース本体の開口部を蓋板によって塞ぎ、レーザ溶接によって蓋板をケース本体に接合することにより封口される。下記特許文献１には、そうした電池ケースについて開示がある。図８は、同文献に記載された電池ケースのうちケース本体を示した斜視図である。

ケース本体１００は、その側壁１０２が周方向に長辺側側面部１２１と短辺側側面部１２２とからなる扁平形状をしたものであり、上方には開口部１０１が形成され、不図示の底面部は底板によって塞がれている。長辺側側面部１２１と短辺側側面部１２２との間に位置する角部１２３は曲面で形成されている。ケース本体１００は、側壁１０２全体が同じ厚さであり、開口部１０１には、長辺側側面部１２１、短辺側側面部１２２および角部１２３のケース内面側にそれぞれ段差部１１１，１１２，１１３が形成されている。段差部１１１，１１２，１１３は、開口部１０１に不図示の蓋板を嵌合させる際の受座になり、開口部１０１を嵌合された蓋板の上面がケース本体１００の上端に一致する。そして、蓋板の周縁に沿ったレーザ溶接が行われ、ケース本体１００に蓋板が接合され、密閉した電池ケースが得られる。

特開２００１−１３５２８２号公報

こうした従来例の電池ケースは、開口部１０１に嵌合する蓋板が側壁１０２に擦れて金属異物が発生しないように多少小さめに形成され、段差部１１１，１１２，１１３が受座になって落下を防止するほか、隙間から浸入するレーザ光を段差部で止めて発電要素への影響を防止している。ところが、接合部にできる隙間は、レーザ溶接時の溶け込み量を少なくしてしまい、接合強度を低下させてしまうことになる。

また、受座となる段差部１１１，１１２，１１３を形成するには、側壁１０２にある程度の肉厚が必要であるため、その側壁１０２をより薄肉にすることが困難であった。リチウムイオン二次電池などは、長辺側側面部１２１側が重ねられるようにして複数の電池が積層され、隣り合うもの同士が電気的に接続され組電池として構成される。一個の電池としては側壁１０２の肉厚が問題にならないとしても、組電池として構成された場合には狭小な設置スペースに対して無視できない値になってしまう。従って、薄肉な側壁の電池ケースが望まれている。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、接合強度を確保し、側壁の肉厚を薄くすることが可能な電池ケースを提供することを目的とする。

本発明に係る電池ケースは、長辺側側面部および短辺側側面部を有する側壁と底面とを有する角型のケース本体に対し、上方に形成された開口部に蓋板を嵌合させ、その蓋板の周縁部を上方から溶接することによりケース本体に接合して封口するものであり、前記蓋板は、前記開口部に嵌合した際に、前記短辺側側面部とは隙間を生じ、前記長辺側側面部とは接触する寸法で形成され、前記ケース本体は、前記短辺側側面部には前記蓋板を受ける段差部が形成され、前記長辺側側面部には前記蓋板との接触部分より下方の一部分にケースの底部に向けて内側に傾斜したテーパ部が形成されたものであり、前記テーパ部の上側位置が前記蓋板周縁の下面側角部に合わせて形成されたものであることを特徴とする。

また、本発明に係る電池ケースは、前記蓋板周縁の下面側角部が曲面で形成され、前記長辺側側面部に形成されたテーパ部の上側位置は、前記下面側角部の曲面分だけ前記短辺側側面部の段差部より上に位置していることが好ましい。
また、本発明に係る電池ケースは、前記ケース本体が、長辺側側面部と短辺側側面部との間の角部が曲面で形成され、前記蓋板は、前記ケース本体の側壁に合わせて角部を曲面にしたものであり、前記ケース本体の角部には前記短辺側側面部の段差部に向けて、前記長辺側側面部のテーパ部から連続する曲面テーパ部が形成されたものであることが好ましい。
また、本発明に係る電池ケースのケース本体は、長辺側側面部が短辺側側面部より薄肉であることが好ましい。

よって、本発明によれば、長辺側側面部と蓋板との接合部が密着する構成としつつ、その長辺側側面部にテーパ部を設ける構成としたため、接合部に隙間が生じた場合にでもレーザ光の浸入を防止するなどの効果を奏し、また、テーパ部とすることにより長辺側側面部を短辺側側面部に比べて薄肉に成形することが可能になる。更に、開口部に嵌合した蓋板がケース本体の短辺側側面部とは隙間を生じるが、接合部の多くを占める長辺側側面部では蓋板が接触した状態で溶接が行われるため、溶け込み量が多く、接合部全体でみた場合に十分な接合強度を確保することができる。

電池ケースの本実施形態について、そのケース本体を示した斜視図である。ケース本体に蓋板を嵌め込んだ状態を示した平面図である。ケース本体の短辺側側面部を示す図２のＭ−Ｍ矢視断面図である。ケース本体の長辺側側面部を示す図２のＮ−Ｎ矢視断面図である。ケース本体の開口部側の角部を切り出して示した内周面側の斜視図である。ケース本体と蓋板との接合時の加圧状態を示した平面図である。図６のＬ−Ｌ矢視断面であり特にレーザ溶接後の状態を示した図である。従来の電池ケースを構成するケース本体を示した斜視図である。

次に、本発明に係る電池ケースの実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態の電池ケースを構成するケース本体を示した斜視図であり、図２は、ケース本体に蓋板を嵌め込んだ状態を示した平面図である。本実施形態の電池ケース１は、従来例と同様に扁平形状をした角型電池を構成するものであり、そケース本体１０の開口部１１に蓋板４０が嵌め込まれ、その蓋板４０をケース本体１０に対してレーザ溶接によって接合するものである。

扁平形状のケース本体１０は、側壁１２が長辺側側面部２１と短辺側側面部２２とを有し、その間に位置する角部２３が曲面で形成されている。ケース本体１０の上方には略長方形の開口部１１が形成され、不図示の底面部は塞がれている。こうしたケース本体１０は、従来と同様に例えばリチウム二次電池を構成するものであり、扁平形状の発電要素が収容され、その後、開口部１１が蓋板４０によって塞がれる。本実施形態では、そうした蓋板４０を受けるための開口部１１に形成された内側面の形状に特徴を有する。

ここで、図３は、短辺側側面部２２を示す図２のＭ−Ｍ矢視断面図であり、図４は、長辺側側面部２１を示す図２のＮ−Ｎ矢視断面図である。また、図５は、長辺側側面部２１、短辺側側面部２２及び角部２３の開口部１１を一部切り出して示した内側面側の斜視図である。

ケース本体１０の側壁１２は、長辺側側面部２１の厚さＡが短辺側側面部２２の厚さＢよりも薄く形成され、角部２３では、長辺側側面部２１から短辺側側面部２２にかけて肉厚が変化している。そして、開口部１１には、長辺側側面部２１の内側面にはテーパ部３１が形成され、短辺側側面部２２の内側面に段差部３２が形成されている。

ケース本体１０の短辺側側面部２２に形成された段差部３２は、上端面３５から蓋板４０の厚さＴと同じ寸法の位置に形成されている。従って、開口部１１に嵌め合わせた蓋板４０の上面は、ケース本体１０の上端面３５の高さに一致する。一方、長辺側側面部２１のテーパ部３１は、図４において高さＨで示す範囲に形成されている。テーパ部３１の上側位置３１ａ（図５参照）は開口部１１に嵌合した蓋板４０の下面より上にあり、下面側角部４２の曲面の始まり位置（図３に示す幅Ｒの上側位置）と一致している。すなわち、テーパ部３１の上側位置３１ａは、段差部３２の位置よりも上端面３５側に下面側角部４２の曲面分だけ上方に位置している。

蓋板４０は、厚さＴの板材であり、その平面形状は、図２に示すように開口部１１の形状に合わせて形成されている。すなわち、開口部１１と同様に長辺と短辺とを有し、その間の角部が曲線の略長方形状をしている。そして、図２及び図３に示すように、蓋板４０の長辺側寸法は、ケース本体１０の短辺側側面部２２との間に隙間Ｓが生じるように設計され、短辺側寸法は図４に示すように、ケース本体１０の長辺側側面部２１と密着するように設計されている。また、蓋板４０は、周縁部の上面側角部４１が直角であるのに対して、下面側角部４２は曲面である。

ところで、本実施形態の電池ケース１は、長辺側側面部２１の厚さＡが短辺側側面部２２の厚さＢよりも薄く形成されている。例えば、長辺側側面部２１の厚さＡが０．３〜０．５ｍｍであるのに対し、短辺側側面部２２の厚さＢが０．６〜１．０ｍｍである。その他の値については、段差部３２の幅Ｄが０．１〜０．３ｍｍであるのに対し、テーパ部３１は、幅Ｌが０．１ｍｍ程度で高さＨは１．０ｍｍ程度である。更に、下面側角部４２の曲率半径Ｒが０．１〜０．２ｍｍである。そして、蓋板４０の板厚Ｔは１．４ｍｍ程度である。

ケース本体１０や蓋板４０は、特定の材料に限定されるものではなくステンレス、ニッケルメッキ鋼板のほかアルミニウム合金などが挙げられるが、加工性や耐食性、軽量化の点からアルミニウム合金などが好ましい。そして、ケース本体１０の成形方法としては、例えばアルミニウム合金の平板を上下の金型に挟み込み、強い圧力をかけながら変形させるプレス絞り加工により成形される。また、蓋板４０は、例えばアルミニウム合金の平板からプレス加工により打ち抜かれて形成される。

ケース本体１０の開口部１１では、テーパ部３１や段差部３２によって長辺側側面部２１および短辺側側面部２２の肉厚が薄くなっている。仮に薄肉の長辺側側面部２１に対して段差部３２程度の段差形状を成形しようとすれば、成形時の圧力によって破断してしまうおそれがある。そのため、厚さＡを０．３〜０．５ｍｍとする長辺側側面部２１に幅が０．１〜０．３ｍｍの段差部を形成することは困難である。そこで、本実施形態では、長辺側側面部２１に対して蓋板４０の側面を密着させることとし、受座としての段差部を不要とする構成とした。

しかし、開口部１１に嵌合させた蓋板４０と長辺側側面部２１との間には、例えば公差分の隙間が生じ得る。そうした場合、長辺側側面部２１の内側が深さ方向に平面であるとすると、接触面に沿って上方から照射されたレーザ光が隙間を通ってケース内に浸入し、発電要素を焼いてしまう。また、隙間から溶接時の金属異物（スパッタ）が電池内部に浸入して絶縁不良の原因となるなどの問題も生じ得る。

そこで、本実施形態では、長辺側側面部２１と蓋板４０との接合部は両者が密着する構成としつつ、その接合部に隙間が生じた場合にでもレーザ光の浸入を防止するため、テーパ部３１を設ける構成とした。テーパ部３１は、段差部３２と比べて変化が緩やかであり、肉厚差も小さいため薄肉の長辺側側面部２１に対して成形が可能である。従って、電池ケース１は、長辺側側面部２１を薄肉にした分だけ短辺方向の寸法を小さくすることができ、複数の電池を積層した際の同方向の合計寸法も小さくなる。

また、長辺側側面部２１のテーパ部３１は、その上側位置３１ａが蓋板４０の下面側角部４２に合わせて形成されている。そのため、蓋板４０と長辺側側面部２１との間に隙間が生じたとしても、下面側角部４２の位置ではテーパ部３１が隙間を狭くし、レーザ光の入射やスパッタの浸入を防止する構成になっている。

ところで、ケース本体１０と蓋板４０との周状の接合部は、角部２３に隙間が生じやすい。特に、角部２３は剛性が高いため、レーザ溶接時に固定治具によって外側から押さえ込んだとしても隙間を閉じることができない場合がある。そこで角部２３には、図５に示すように、テーパ部３１から段差部３２へ連続する曲面テーパ部３３が形成され、蓋板４０との隙間を通ったレーザ光の入射を遮断するよう構成されている。すなわち、角部２３でも、蓋板４０の下面側角部４２で曲面テーパ部３３が隙間を遮断し、或いはより狭いものとすることにより、レーザ光の入射やスパッタの浸入を防止する構成になっている。

続いて、ケース本体１０に対する蓋板４０の接合について説明する。蓋板４０をケース本体１０の開口部１１に嵌合させる場合、向かい合う２面の長辺側側面部２１が、その直交方向（短辺方向）に引っ張られて互いに離される。開口部１１を僅かに変形させ、蓋板４０が長辺側側面部２１の内側面に接触しないように、あるいは接触したとしても接触面が強く擦れないようにする。一方、短辺側側面部２２との間には隙間Ｓを生じさせる寸法の余裕があるため、蓋板４０を嵌合させる際に擦れることはない。こうして長辺側側面部２１側を広げることにより、蓋板４０が擦れて微小な金属異物が発生して内部に落下してしまうのを防止することができる。

次に、ケース本体１０の開口部１１に嵌合させた蓋板４０にレーザ溶接が行われる。その際、特に長辺側側面部２１側の接合部において隙間が生じないようにするため、蓋板４０を嵌め込んだケース本体１０を外側から加圧する。図６は、その加圧状態を示した平面図である。加圧には固定治具５１，５２，５３が使用される。４面ある長辺側側面部２１と短辺側側面部２２のうち、２面に対応したＬ字形の固定治具５１と、残りの面をそれぞれ押さえる固定治具５２，５３の３部材を有し、エアシリンダなどの加圧手段を用いて各面に所定の圧力がかかるよう構成されている。

固定治具５１，５２，５３は、長辺側側面部２１と短辺側側面部２２のほぼ全面を押さえているが、開口部１１側は、図７に示すように、上端面３５（図４参照）よりも下がった位置にある。ここで、図７は、図６のＬ−Ｌ矢視断面であって、特にレーザ溶接後の状態を示した図である。固定治具５１の上端５５（固定治具５２，５３の上端も同じ）は、蓋板４０の下面の位置よりも高く、レーザ溶接によってできる溶接ビードＢよりも下に位置している。本実施例では、溶接ビードＢができる溶接深さが０．３〜０．５ｍｍ程度であり、蓋板４０の板厚Ｔが１．４ｍｍであるため、固定治具５１の上端５５は、ケース本体１０の上端面３５よりも０．５〜１．０ｍｍ下に設定されている。

図７に示すように、固定治具５１，５２，５３よって四方を囲まれて加圧されたケース本体１０は、開口部１１において密着した蓋板４０の周縁にレーザ光が照射され溶接が行われる。このとき、短辺側側面部２２と蓋板４０との間には隙間Ｓが存在するが、レーザ光は段差部３２によって遮断されケース内へ入射することはなく、スパッタが浸入することもない。一方、長辺側側面部２１と蓋板４０は密着しているため、ケース内へレーザ光が入射したりスパッタが浸入することはない。仮に隙間が生じてしまっていたとしても、蓋板４０の下面側角部４２側で、テーパ部３１が隙間を遮断し、或いはより狭いものとするため、レーザ光の入射やスパッタの浸入を防止することができる。

また、ケース本体１０の角部２３にも隙間が生じ得るが、その場合にも曲面テーパ部３３が隙間を遮断し、或いはより狭いものとすることにより、レーザ光の入射やスパッタの浸入を防止することができる。ここで、テーパ部３１や段差部３２を形成した本実施形態の電池ケースと、テーパ部３１や段差部３２の無い従来形状の電池ケースについて、角部の隙間による影響を比較した。従来形状の電池ケースでは、角部の隙間が５０μｍ、７０μｍ、１００μｍのものを各５個ずつ用意してレーザ溶接を行い、ケース内のセパレータの溶融の有無からレーザ光の入射状況を確認した。

その結果、隙間が５０μｍの場合にはセパレータの溶融はゼロであったが、隙間が７０μｍの場合には５個中１個にセパレータの溶融が見られ、隙間が１００μｍのものでは全てのセパレータに溶融が見られた。一方で、本実施形態の電池ケース１では、角部２３における側壁１２と蓋板４０との隙間が８０μｍであったにもかかわらず、同じく５個行ってセパレータの溶融はゼロであった。このことから曲面テーパ部３３による効果が確認できた。そして、同じことが長辺側側面部２１のテーパ部３１についてもいえる。すなわち、長辺側側面部２１と蓋板４０に隙間が生じてしまっても、その隙間は極めて小さいものであるため、テーパ部３１によるレーザ光の入射防止やスパッタの浸入防止に対して有効に機能する。

ケース本体１０と蓋板４０との接合部は蓋板４０の周縁部である。溶接部のうち短辺側側面部２２との間には隙間Ｓが存在するため、レーザ溶接による溶け込み量が少ないため接合強度が低い。しかし、本実施形態では、接合部の多くを占める長辺側側面部２１と蓋板４０とが密着し、レーザ溶接による溶け込み量が多いため、接合部全体で十分な接合強度を確保することができる。

その他、レーザ溶接時には前述したように長辺側側面部２１と蓋板４０は密着するが、蓋板４０をケース本体１０へ嵌合させる際には、長辺側側面部２１側を広げるようにしたため、蓋板４０が擦れて微小な金属異物が発生して内部に落下してしまうのを防止することができる。また、固定治具５１，５２，５３は、その上端５５が蓋板４０の下面の位置よりも高く、レーザ溶接によってできる溶接ビードＢよりも下に位置するため、長辺側側面部２１を蓋板４０に対して密着させるように加圧することができ、レーザ溶接後に溶接ビードＢが接着してしまうことを回避できる。

以上、本発明に係る電池ケースについて一実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、電池ケースの対象は、リチウムイオン電池の他、リチウム二次電池、ニッケル水素二次電池なども挙げられ、更にこれらに限定されるものでもない。
また、蓋板４０の下面側角部４２は曲面で形成されているが、より好ましい形状は曲面であるが上面側角部４１と同じく直角であってもよい。
また、前記実施形態では、ケース本体１０に対する蓋板４０の接合にレーザ溶接を使用したが、その他にはアーク溶接などを使用するようにしてもよい。

１電池ケース
１０ケース本体
１１開口部
１２側壁
２１長辺側側面部
２２短辺側側面部
２３角部
３１テーパ部
３２段差部
３３曲面テーパ部
４０蓋板
４１上面側角部
４２下面側角部

Claims

長辺側側面部および短辺側側面部を有する側壁と底面とを有する角型のケース本体に対し、上方に形成された開口部に蓋板を嵌合させ、その蓋板の周縁部を上方から溶接することによりケース本体に接合して封口する電池ケースにおいて、
前記蓋板は、前記開口部に嵌合した際に、前記短辺側側面部とは隙間を生じ、前記長辺側側面部とは接触する寸法で形成され、
前記ケース本体は、前記短辺側側面部には前記蓋板を受ける段差部が形成され、前記長辺側側面部には前記蓋板との接触部分より下方の一部分にケースの底部に向けて内側に傾斜したテーパ部が形成されたものであり、前記テーパ部の上側位置が前記蓋板周縁の下面側角部に合わせて形成されたものであることを特徴とする電池ケース。
請求項１に記載する電池ケースにおいて、
前記蓋板は、周縁の下面側角部が曲面で形成され、前記長辺側側面部に形成されたテーパ部の上側位置は、前記下面側角部の曲面分だけ前記短辺側側面部の段差部より上に位置していることを特徴とする電池ケース。
請求項１又は請求項２に記載する電池ケースにおいて、
前記ケース本体は、長辺側側面部と短辺側側面部との間の角部が曲面で形成され、前記蓋板は、前記ケース本体の側壁に合わせて角部を曲面にしたものであり、前記ケース本体の角部には前記短辺側側面部の段差部に向けて、前記長辺側側面部のテーパ部から連続する曲面テーパ部が形成されたものであることを特徴とする電池ケース。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載する電池ケースにおいて、
前記ケース本体は、長辺側側面部が短辺側側面部より薄肉であることを特徴とする電池ケース。