JP2013542565A - 優れた密封性能をもたらすことができる電解質注入孔を有するプリズムバッテリ - Google Patents

Abstract

ここには、角柱容器内に取り付けられた電極アセンブリを有する二次バッテリであって、前記角柱容器の開口した上端に取り付けられたベースプレートに形成された電解質注入孔の内側が、前記電解質注入孔の直径が下方にいくに従い漸次小さくなる面取り構造となっている上側部分と、前記面取り構造から連続的に形成された非面取り構造となっている下側部分と、を備え、密封部材が前記電解質注入孔の中にプレスされると、前記電解質注入孔に対応する形状に変形された前記密封部材が、前記面取り構造と前記密封部材との間のせん断応力によって前記面取り構造と密接した状態となると共に、前記非面取り構造と前記密封部材との間の摩擦相互作用によって密封状態を形成する、二次バッテリが開示されている。従って、二次バッテリの欠陥率を減少させることができると共に、溶接せずに電解質注入孔の密封性能を向上させることができる。

Description

本発明は、大いに密封することができる電解質注入孔を有するプリズムバッテリに関するものであり、より具体的には、角柱容器内に取り付けられた電極アセンブリを有する二次バッテリであって、前記角柱容器の開口した上端に取り付けられたベースプレートに形成された電解質注入孔の内側が、前記電解質注入孔の直径が下方にいくに従い漸次小さくなる面取り構造となっている上側部分と、前記面取り構造から連続的に形成された非面取り構造となっている下側部分と、を備え、密封部材が前記電解質注入孔の中にプレスされると、前記電解質注入孔に対応する形状に変形された前記密封部材が、前記面取り構造と前記密封部材との間のせん断応力によって前記面取り構造と密接した状態となると共に、前記非面取り構造と前記密封部材との間の摩擦相互作用によって密封状態を形成する、二次バッテリに関する。

携帯機器の開発がますます進み、そのような携帯電話の需要が増加するにつれて、携帯機器用のエネルギー源として二次バッテリの需要も急激に増加している。二次バッテリは一般に、その外部構造及び内部構造に基づいて、円筒形バッテリ、プリズムバッテリ、及びパウチ形バッテリに分類される。携帯機器が小型化される中で、近年、長さに対する幅の比率が小さいプリズムバッテリ及びパウチ形バッテリが大きな注目を集めている。

プリズムバッテリは、カソード、アノード及びセパレータを備える電極アセンブリを角柱形のバッテリケースの中に入れ、バッテリケースの上端にベースプレートを例えば溶接によって固定し、ベースプレートに形成された電解質注入孔からバッテリケースの中に電解質を注入し、電解質注入孔を金属球で密封し、ベースプレートの表面に安全要素及び保護回路を取り付け、そして、ハウジング（外部ケース）でバッテリケースを密封することによって製造される。

図１には、従来のプリズム二次バッテリのバッテリケースの上端に取り付けられたベースプレートの平面図と共にＡ−Ａ間に沿った縦断面図が示されている。

図１を参照すると、ベースプレート１００には、その中央に、電極アセンブリの電極タブ（例えば、アノードタブ）に接続される電極端子１０１が、該電極端子１０１がベースプレート１００から突出するように設けられている。ベースプレート１００には、その片側に、電解質を注入するための電解質注入孔１０２が設けられている。突出した電極端子１０１とベースプレート１００との間には、電極端子としての機能を果たすために電極アセンブリの他の電極タブ（例えば、カソードタブ）に接続される電極端子１０１をベースプレート１００から電気的に絶縁させるための絶縁部材１０３が配置されている。

図２に示すように、電解質を注入するための電解質注入孔１０２は、一般に、縦断面が四角形となるように形成されている。電解質注入孔１０２は、電解質注入孔１０２の直径よりも若干大きい直径を有するアルミニウム製の密封部材１０４で密封されている。具体的には、電解質注入孔１０２の上に密封部材１０４が設置され、その後、密封部材１０４が、密封部材１０４が塑性変形して電解質注入孔１０２が密封されるように上方からプレスされる。続いて、塑性変形した密封部材１０４の周辺部がレーザ溶接されたり、或いは、薄い金属板が塑性変形した密封部材１０４の上に置かれると共にレーザ溶接されたりして、電解質注入孔が密封される。

しかしながら、密封部材が塑性変形すると共に、縦断面が四角形となるように形成された電解質注入孔の中に挿入して、電解質注入孔を密封部材で密封すると、密封部材の両側が、電解質注入孔の内側の上端によって外側へ押し出される。その結果、密封部材の表面に溝が形成される。溝は、レーザ溶接による電解質注入孔の密封に悪影響を与える。さらに、溝の形成に起因して、密封部材と電解質注入孔の内面との間の界面に沿って内部亀裂が連続的に形成され、その結果、電解質注入孔の密封性能が低下する。

粘着性物質を密封部材の表面に塗布すると共に粘着性物質をプレスする方法が、非溶接式の密封方法として開発されていると共に使用されている。しかしながら、上記方法では、密封部材に関する費用が増大すると共に、溶接工程の代わりにコーティング工程が追加される。このため、上記方法には付加的な利点が無い。

また、下記特許文献１及び下記特許文献２には、電解質注入孔の内側の上端をテーパー構造となるように形成すると共に、電解質注入孔に対応する形状の密封部材を金属球の代わりに電解質注入孔の中に挿入して電解質注入孔を密封する方法が開示されている。この密封構造は、上記した溝が生じるのを防止する効果がある。しかしながら、この密封構造には、電解質注入孔と密封部材との間の結合力が低く、それによって、電解質注入孔の密封性能が低いという問題がある。このため、そのような低い結合力を増大させるために、面倒な追加工程を更に実施しなければならない。

したがって、上記した問題を根本的に解決することができる技術が強く求められている。

特開２００４‐０２３２５３号公報 特開２００２‐３５８９４８号公報

したがって、本発明は、上記問題、および、まだ解決されていない他の技術的問題を解決させるものである。

具体的には、本発明の目的は、特定の構造及び形状の電解質注入孔と特定の構造及び形状の密封部材とを有しており、それにより、二次バッテリの欠陥率が減少すると共に、溶接せずに電解質注入孔の密封性能が向上する二次バッテリを提供することである。

本発明の１つの態様によれば、角柱容器内に取り付けられた電極アセンブリを有する二次バッテリであって、前記角柱容器の開口した上端に取り付けられたベースプレートに形成された電解質注入孔の内側が、前記電解質注入孔の直径が下方にいくに従い漸次小さくなる面取り構造となっている上側部分と、前記面取り構造から連続的に形成された非面取り構造となっている下側部分と、を備え、密封部材が前記電解質注入孔の中にプレスされると、前記電解質注入孔に対応する形状に変形された前記密封部材が、前記面取り構造と前記密封部材との間のせん断応力によって前記面取り構造と密接した状態となると共に、前記非面取り構造と前記密封部材との間の摩擦相互作用によって密封状態を形成する、二次バッテリの提供によって、上記および他の目的を達成することができる。

つまり、電解質注入孔の内側の上側部分は、電解質注入孔の直径が下方にいくに従い漸次小さくなる面取り構造となるように構成されている。したがって、密封部材が電解質注入孔の中にプレスされると、密封部材が容易に塑性変形される。したがって、プレスされる密封部材の上端に溝が形成されることを防止することができるとともに、密封部材と電解質注入孔の内面との間の界面に亀裂が形成されることを防止することができる。

また、密封部材が電解質注入孔の中にプレスされると、密封部材が面取り構造に沿って非面取り構造の中に押し込まれる。このとき、密封部材は変形し、その結果、部分的な弾性力が発生する。部分的な弾性力は、面取り構造と密封部材との両方で発生し、それにより、密封力が確保される。また、非面取り構造と密封部材との間の密接力は、非面取り構造と密封部材との間の弾性力によって増大し、それによって、密封部材の密封性能が確保される。

その一方で、電解質注入孔の内側の上側部分が面取り構造となるように構成されていると共に、電解質注入孔の内側の下側部分が非面取り構造となるように構成されている場合、塑性変形された密封部材が電解質注入孔の内側の下側部分の中に挿入されることを防止することができ、且つ、密封力をより大きくすることができ、これはかなり望ましい。

仮に面取り構造の深さが小さすぎると、塑性変形された密封部材の体積が、面取り構造のスペースに対して相対的に増大し、その結果、密封部材のかなりの部分がベースプレートの頂部又は底部から突出する場合があり、これは望ましくはない。一方、仮に面取り構造の深さが大きすぎると、電解質注入孔を密封するのが困難になる場合があり、これは望ましくはない。

それ故に、前記面取り構造は、前記電解質注入孔の深さＤに基づいて、０．３×Ｄから０．７×Ｄの範囲内で、電解質注入孔の上端から下向きに延在してもよい。

また、密封部材が前記電解質注入孔の中に容易にプレスされ、溶接せずに電解質注入孔が効果的に密封されるように、前記面取り構造の上端の幅が前記密封部材の大きさよりも大きいことが好ましい。具体的には、前記面取り構造の上端の幅（Ｗｔｏｐ）は、前記密封部材の直径Ｒに基づいて、１．０×Ｒ＜Ｗｔｏｐ＜１．７×Ｒの条件を満たすことができ、且つ、前記面取り構造の下端の幅（Ｗｂｏｔｔｏｍ）は、前記密封部材の前記直径Ｒに基づいて、０．５×Ｒ≦Ｗｂｏｔｔｏｍ≦０．９×Ｒの条件を満たすことができる。

前記非面取り構造の幅Ｗは、前記面取り構造の下端の幅Ｗｂｏｔｔｏｍと等しくすることができ、それにより、塑性変形した密封部材が電解質注入孔の内側の下側部分の中に挿入されることが防止される。

場合によっては、前記面取り構造の上端の幅Ｗｔｏｐと下端の幅Ｗｂｏｔｔｏｍとの差は、上端の幅Ｗｔｏｐの８％から４２％であるという条件を満たすことができる。

例えば、仮に前記面取り構造の上端の幅Ｗｔｏｐと下端の幅Ｗｂｏｔｔｏｍとの差が０．５ｍｍを上回ると、電解質注入孔は度々変形する可能性があり、その結果、電解質注入孔の下側の気密性が低下する場合がある。このため、前記面取り構造の上端の幅Ｗｔｏｐと下端の幅Ｗｂｏｔｔｏｍとの差は、０．１から０．５ｍｍであることが好ましい。

その一方で、前記密封部材の直径Ｒと前記面取り構造の下端の幅Ｗｂｏｔｔｏｍとの差は、前記密封部材の直径Ｒの８％から２５％であるという条件を満たすことができる。

例えば、仮に前記密封部材の直径Ｒと前記面取り構造の下端の幅Ｗｂｏｔｔｏｍとの差が０．３ｍｍを上回ると、電解質注入孔は度々変形する可能性があり、その結果、電解質注入孔の下側の気密性が低下する場合がある。このため、前記密封部材の直径Ｒと前記面取り構造の下端の幅Ｗｂｏｔｔｏｍとの差は、０．１から０．３ｍｍであることが好ましい。

面取り面の延長補助線の間の角度である前記面取り構造の傾斜角度は、３０から７０度にすることができ、好ましくは３０から６４度である。

特に、仮に前記面取り構造の傾斜角度が７０度を上回ると、電解質注入孔は度々変形する可能性があり、その結果、電解質注入孔の下側の気密性が低下する場合があり、これは望ましくない。

前述の説明のように、仮に前記面取り構造の傾斜角度が小さすぎると、相対的に大きい密封部材は、ベースプレートの頂部または底部から突出する場合があり、これは望ましくない。一方で、仮に前記面取り構造の傾斜角度が大きすぎると、電解質注入孔の密封性能が低下したり密封部材に亀裂が形成されたりする場合があり、これは望ましくない。

それ故に、前記面取り構造の深さ、幅、及び傾斜角度は、電解質注入孔及びベースプレートの大きさに応じて適宜決定されることができる。密封部材が塑性変形されて電解質注入孔が容易に密封される限り、密封部材は必要に応じて部分的に変形されることができる。

好適な例では、前記密封部材は、球形状に形成されることができ、且つ、前記電解質注入孔は、平面視において円形状に形成されることができる。

つまり、密封部材は、プレスされると塑性変形されて電解質注入孔を密封する。好ましくは、前記密封部材は、金属球である。

その一方で、前記密封部材が前記電解質注入孔上に設置された状態でプレスされてもよく、前記密封部材と前記電解質注入孔との間の摩擦相互作用は、下向きの前記面取り構造によって更に増大し、前記密封部材と前記電解質注入孔との接触領域を増大させることができる。

また、例えばエポキシ樹脂などのポリマー樹脂が、前記電解質注入孔の外周に塗布され、前記密封部材がプレスされた後に前記電解質注入孔が密封された状態で前記電解質注入孔の外周が密閉されてもよい。

密封部材をプレスする方法は、電解質注入孔が密封部材によって密封される限り、限定されない。

好適な例では、前記密封部材は、時計回りの方向又は反時計回りの方向に回転されながらプレスされて前記電解質注入孔を密封することができる。プレス機は回転しながら下向きに移動する。したがって、従来の真直ぐ下向きの移動と比較すると、密封部材及び電解質注入孔にかかる衝撃は低減され、これは、物理的に密封された方式の気密性を向上させるのにかなり有効である。

好ましくは、回転しながら下向きの移動を行うプレス機が、１回限りのプレス工程で前記密封部材を前記電解質注入孔の中にプレスする。電解質注入孔は１回限りのプレス工程で密封されるが、電解質注入孔にかかる衝撃は従来の方法よりも低減される。それ故、電解質注入孔が崩壊したり変形したりすることを防止することができる。また、電解質注入孔の下側部分の気密性を向上させることができると共に、作業効率を向上させることができる。

別の好適な例では、回転しながら下向きの移動を行うプレス機が、１回限りのプレス工程で前記密封部材を前記電解質注入孔の中にプレスした後、前記プレス機は、所定の高さで前記密封部材を繰り返しプレスして前記電解質注入孔を密封することが可能である。

この場合、溶接せずに密封部材を挿入してプレスするだけで電解質注入孔を容易に密封することができ、それにより、工程が簡略化されると共に密封性能の向上が達成される。

具体的には、前記所定の高さは、前記電解質注入孔から１から５ｃｍにすることができ、前記密封部材は、５から２０回繰り返しプレスされることができる。また、プレス機から密封部材にかけられる圧力は、従来の５ｋｇｆから３ｋｇｆに低減される。それ故に、塑性変形した密封部材と電解質注入孔との間の気密性及び均一性を確保することができる。

本発明の上記および他の目的、特徴、ならびに他の利点は、添付図面を参照して行われる以下の詳細な説明から、より明確に理解されよう。

図１は、従来のプリズム二次バッテリのバッテリケースの上端に取り付けられたベースプレートを示す平面図、並びにＡ−Ａ間に沿った縦断面図である。 図２は、図１の破線によって示された領域の拡大図である。 図３は、本発明の実施形態に係るプリズム二次バッテリのベースプレートであって、そこに形成された電解質注入孔を有するベースプレートを示す平面図、並びにＢ−Ｂ間に沿った縦断面図である。 図４は、図３の破線によって示された領域の拡大図である。 図５は、本発明の実施形態に係る二次バッテリを製造する装置を示す代表的な図である。 図６は、本発明の別の実施形態に係る電解質注入孔及び密封部材をプレスする工程を示す代表的な図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明の範囲が例示された実施形態に限定されないことに留意すべきである。

図３は、本発明の実施形態に係るプリズム二次バッテリのベースプレートであって、そこに形成された電解質注入孔を有するベースプレートを示す平面図、並びにＢ−Ｂ間に沿った縦断面図であり、図４は、図３の破線によって示された領域の拡大図である。

これらの図面を参照すると、ベースプレート２００には、その中央に、（図示しない）電極アセンブリのアノードタブに接続される電極端子２０１が、電極端子２０１がベースプレート２００から突出するように設けられている。ベースプレート２００には、その片側に、電解質注入孔２０２が設けられている。ベースプレート２００の上端には、電解質注入孔２０２に隣り合う位置に溝が形成されており、この溝によって、保護回路モジュールがベースプレート２００に安定的に取り付けられる。電極端子２０１とベースプレート２００との間には、電極アセンブリのカソードタブに接続される電極端子２０１をベースプレート２００から電気的に絶縁させるための絶縁部材２０３が配置されている。

ベースプレート２００の電解質注入孔２０２の内側の上側部分は、電解質注入孔２０２の直径が下方にいくに従い漸次小さくなる面取り構造２２０となるように構成されている。ベースプレート２００の電解質注入孔２０２の内側の下側部分は、非面取り構造２３０となるように構成されている。非面取り構造２３０は、実質的に傾斜していない垂直な貫通構造である。

面取り構造２２０は、面取り構造２２０の深さｄが電解質注入孔の深さＤの約０．４倍から０．６倍となるように、電解質注入孔の上端から下向きに延在している。面取り面の延長補助線の間の角度である面取り構造２２０の傾斜角度ｒは、約４５度である。

また、面取り構造２２０の上端の幅Ｗｔｏｐは、密封部材２０４の直径Ｒの約１．２倍であり、面取り構造２２０の下端の幅Ｗｂｏｔｔｏｍは、密封部材２０４の直径Ｒの約０．７倍である。非面取り構造２３０の幅Ｗは、面取り構造２２０の下端の幅Ｗｂｏｔｔｏｍと等しい。

上端の幅Ｗｔｏｐよりも大きい直径を有する球状の密封部材２０４は、電解質注入孔２０２を密封するために輪転機によって電解質注入孔２０２の中にプレスされる。密封部材２０４は、金属球であってよい。

図５は、本発明の実施形態に係る二次バッテリを製造する装置を示す代表的な図であり、図６は、本発明の別の実施形態に係る電解質注入孔及び密封部材をプレスするためのプレス動作を示す代表的な図である。

これらの図面を図４と共に参照すると、二次バッテリ製造装置４００は、（図示しない）角柱形の容器を固定するためのダイであって、そこに取り付けられた（図示しない）電極アセンブリ及びそこの開口した上端に取り付けられるベースプレート２００を有するダイ４２０と、垂直な往復運動（iii）を行い、密封部材２０４がベースプレート２００の電解質注入孔２０２の中にプレスされるように、下方への移動（i）中に密封部材２０４をプレスするためのプレス機４３０と、プレス機４３０の運転を制御するための制御装置４４０と、を備えている。

プレス機４３０は、垂直な往復運動（iii）を行うためのシリンダ４３５と、プレス機４３０を回転させるためのロータリーモータ４３７と、を備える。したがって、プレス機４３０が下方への移動（i）を行うと、プレス機４３０は、密封部材２０４に基づいて時計回りの方向への回転（ii）を行いながら密封部材２０４をプレスする。

また、制御装置４４０は、プレス機４３０が１回の下方への移動（i）によって密封部材２０４をプレスし、その後、プレス機４３０が約３ｃｍの高さＬまで上方へ移動する様で、約１０回の垂直な往復運動（iii）によって密封部材２０４をプレスするためにプレス機４３０を制御する。

この場合において、プレス機４３０は、比較的低い圧力、例えば約３ｋｇｆの圧力Ｇで
密封部材２０４をプレスし、それにより、塑性変形した密封部材と電解質注入孔との間の気密性及び均一性が確保される。

つまり、プレス機４３０は、ロータリーモータ４３７によって時計回り方向に回転（ii）しながら密封部材２０４に対して垂直な往復運動（iii）を行い、それにより、電解質注入孔が崩壊したり変形したりすることが防止される。また、電解質注入孔の密閉性能が向上し、それにより、バッテリの気密性が確保される。

本発明の好適な実施形態は、例示目的で記載されているが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲に記載されたような発明の範囲及び精神から逸脱せずに、様々な変更、追加及び置換が可能であると分かるであろう。

上記した説明から分かるように、本発明に係る二次バッテリは、特定構造の電解質注入孔を有するベースプレートを備える。従って、バッテリの製造工程を減らすことができると共に二次バッテリの欠陥率を低減させることができる。また、バッテリからの電解質の漏洩を大幅に減らすことができる。

２００・・・ベースプレート
２０１・・・電極端子
２０２・・・電解質注入孔
２０３・・・絶縁部材
２０４・・・密封部材
２２０・・・面取り構造
２３０・・・非面取り構造
４００・・・二次バッテリ製造装置
４２０・・・ダイ
４３０・・・プレス機
４４０・・・制御装置

Claims (16)

1. 角柱容器内に取り付けられた電極アセンブリを有する二次バッテリであって、前記角柱容器の開口した上端に取り付けられたベースプレートに形成された電解質注入孔の内側が、前記電解質注入孔の直径が下方にいくに従い漸次小さくなる面取り構造となっている上側部分と、前記面取り構造から連続的に形成された非面取り構造となっている下側部分と、を備え、密封部材が前記電解質注入孔の中にプレスされると、前記電解質注入孔に対応する形状に変形された前記密封部材が、前記面取り構造と前記密封部材との間のせん断応力によって前記面取り構造と密接した状態となると共に、前記非面取り構造と前記密封部材との間の摩擦相互作用によって密封状態を形成する、ことを特徴とする二次バッテリ。
2. 前記面取り構造は、前記電解質注入孔の深さ（Ｄ）に基づいて、０．３×Ｄから０．７×Ｄの範囲内で、前記電解質注入孔の上端から下向きに延在することを特徴とする、請求項１に記載の二次バッテリ。
3. 前記面取り構造の上端の幅（Ｗｔｏｐ）は、前記密封部材の直径（Ｒ）に基づいて、１．０×Ｒ＜Ｗｔｏｐ＜１．７×Ｒの条件を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の二次バッテリ。
4. 前記面取り構造の下端の幅（Ｗｂｏｔｔｏｍ）は、前記密封部材の直径（Ｒ）に基づいて、０．５×Ｒ≦Ｗｂｏｔｔｏｍ≦０．９×Ｒの条件を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の二次バッテリ。
5. 前記非面取り構造の幅（Ｗ）は、前記面取り構造の下端の幅（Ｗｂｏｔｔｏｍ）と等しいことを特徴とする、請求項１に記載の二次バッテリ。
6. 前記面取り構造の上端の幅（Ｗｔｏｐ）と下端の幅（Ｗｂｏｔｔｏｍ）との差は、上端の幅（Ｗｔｏｐ）の８％から４２％であるという条件を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の二次バッテリ。
7. 前記密封部材の直径（Ｒ）と前記面取り構造の下端の幅（Ｗｂｏｔｔｏｍ）との差は、前記密封部材の直径（Ｒ）の８％から２５％であることを特徴とする、請求項１に記載の二次バッテリ。
8. 面取り面の延長補助線の間の角度である前記面取り構造の傾斜角度は、３０から７０度であることを特徴とする、請求項１に記載の二次バッテリ。
9. 前記密封部材は球形状に形成され、且つ、前記電解質注入孔は平面視において円形状に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の二次バッテリ。
10. 前記密封部材が金属球であることを特徴とする、請求項１に記載の二次バッテリ。
11. 前記密封部材が前記電解質注入孔上に設置された状態でプレスされ、前記密封部材と前記電解質注入孔との間の摩擦相互作用が下向きの前記面取り構造によって更に増大し、前記密封部材と前記電解質注入孔との接触領域を増大させることを特徴とする、請求項１に記載の二次バッテリ。
12. 前記密封部材は、時計回りの方向又は反時計回りの方向に回転されながらプレスされて前記電解質注入孔を密封することを特徴とする、請求項１に記載の二次バッテリ。
13. １回限りのプレス工程で前記密封部材が前記電解質注入孔の中にプレスされることを特徴とする、請求項１２に記載の二次バッテリ。
14. １回限りのプレス工程で前記密封部材が前記電解質注入孔の中にプレスされた後、前記密封部材が所定の高さで繰り返しプレスされて前記電解質注入孔を密封することを特徴とする、請求項１２に記載の二次バッテリ。
15. 前記所定の高さは、前記電解質注入孔から１から５ｃｍであることを特徴とする、請求項１４に記載の二次バッテリ。
16. 前記密封部材は、５から２０回繰り返しプレスされることを特徴とする、請求項１４に記載の二次バッテリ。

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