JP2016009672A - 密閉型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 電池の高容量により内容積確保のため電池缶の厚みが薄くなった場合でも、耐衝撃性の高い密閉型電池を提供することを目的とする。【解決手段】 電池ケースの側面を構成し且つ少なくとも一つの開口部を有する外装缶と、電池ケースの端面を構成するように外装缶の開口部を覆う蓋板を備えた密閉型電池において、蓋板の端子部の近傍に溝部を設け、スプリングバック現象を利用して外力による衝撃を蓋で吸収し軽減させることで、落下などの衝撃を受けた場合でも、外装缶の開口部と蓋板の外周側との溶接部が破損しない、耐衝撃性の高い薄型で高容量の密閉型電池を提供できる。【選択図】図２

Description

本発明は、外装缶と蓋板との溶接によって電池ケースが形成される密閉型電池に関する。

従来より、電池ケースの側壁を構成し且つ少なくとも一つの開口部を有する外装缶と、前記電池ケースの端面を構成するように前記外装缶の開口部を覆う蓋板とを有する電池ケースを備えた密閉型電池が知られている。このような密閉型電池では、例えば特許文献１に開示されるように、電池缶（外装缶）の開口部に対して電池蓋（蓋板）の外周縁部を溶接することにより、電池ケースが構成される。

電池缶（外装缶）の開口部と電池蓋（蓋板）の外周縁部との溶接は、特許文献１に開示されているように、一般的にはレーザー溶接によって行われる。電池缶（外装缶）の開口部及び電池蓋（蓋板）の外周縁部にレーザー光を照射すると、該開口部及び電池蓋（蓋板）の外周縁部は、レーザー光の熱によって溶融した後、冷却されることにより接合される。

こうして形成された密閉型電池はリチウムイオン二次電に代表されるように、携帯電話やスマートフォンなどの機器の内蔵電源として広く普及しているが、機器などが落下等で衝撃を受けた際に、破損により短絡や破損が起きないよう、密閉型電池にも耐衝撃性が求められる。そこで、例えば特許文献２には、外装缶と蓋板の間に耐衝撃性を向上する絶縁体を配置する技術が開示されている。

特開２００３−３１１８６号公報 特開２０１１−２０４４６９号公報

ところで、スマートフォンなどの機器の高性能化や薄型化により、内蔵されるリチウムイオン二次電池も、高容量で薄型なものが求められている。高容量且つ薄型を実現するためには、電池ケースの内容積を増大することが効果的であるが、薄肉化進むにつれ電池蓋も細くなり剛性が低下していく傾向にある。その為、電池に落下衝撃が加わった場合、封電池蓋に設けた端子部の凸部に衝撃が集中して溶接部が破断してしまい、密閉型電池の耐衝撃性を十分に向上できないことが分かった。

本発明は、外装缶の開口部と蓋板の外周縁部とを溶接することによって電池ケースを得る密閉型電池において、外力が加わったとしても、外力の衝撃を吸収させる機構を設けることで、耐衝撃性の高い密閉型電池を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る密閉型電池は、内部に電極体及び電解液が封入された柱状の電池ケースを備えた密閉型電池であって、前記電池ケースの側面を構成し且つ少なくとも一つの開口部を有する外装缶と、前記電池ケースの端面を構成するように前記外装缶の開口部を覆う蓋板とを備え、前記蓋板には端子部が設けられ、前記端子部の近傍に溝部を設けた構成であることが望ましい。（第１の構成）。

以上の構成により、落下などの衝撃を受けた場合でも、外装缶の開口部と蓋板の外周側との溶接部が破損しない、耐衝撃性の高い薄型で高容量の密閉型電池を提供できる。すなわち、外力の衝撃を吸収させる溝を電池蓋に設けることで蓋板のスプリングバック現象を利用し、外力による衝撃を蓋で吸収し軽減させる機構を備えている。

前記第１の構成において、前記溝部は前記端子と溶接部との間の部分に複数個設けられており、更に、前記端子部に対して対称に配置された構成であることが望ましい。（第２の構成）。

溝を衝撃が集中する端子部と溶接部との間に配置し、更に、端子部に対して対称な位置に配置することで、落下の角度によらず、十分な耐衝撃性を得ることができる。

蓋板に設ける溝の深さは、蓋板の厚みに対し３０％乃至５０％であることが望ましい。深さが３０％以下の場合、外力の吸収が不十分となり、深さが５０％を超えると、蓋板の強度が低下する。

蓋板の長辺方向に複数の溝を端子部近傍に設ける場合、溝の長さは端子部に対して５ｍｍ以上８ｍｍ以下とすることが好ましい。これは、５ｍｍ未満の場合、蓋板が撓まずに外力の吸収が不可能であり、８ｍｍを超えると、蓋板の強度が低下する。

また、蓋板の短辺方向に複数の溝を端子部近傍に設ける場合、溝と端子部との間隔を２ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることが好ましい。長辺方向に設ける場合と同様、２ｍｍ未満の場合、蓋板が撓まずに外力の吸収が不可能であり、５ｍｍを超えると、蓋板の強度が低下する。

溝の平面形状は、直線状、Ｖ字状、Ｙ字状、曲線状であることが好ましく、端子部に対して対称な位置に配置する。溝の断面形状は、矩形状、Ｖ字状、Ｕ字状であることが好ましい。

本発明の一実施形態に係る密閉型電池によれば、少なくとも一つの開口部を有する外装缶と、前記外装缶の開口部を覆う蓋板とを備え、前記蓋板には端子部が設けられ、前記端子部の近傍に溝を設けた構成とする。これにより、外力による衝撃を蓋で吸収し軽減させ落下などの衝撃を受けた場合でも、外装缶の開口部と蓋板の外周側との溶接部が破損しないよう、耐衝撃性を向上することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る密閉型電池の概略構成を示す斜視図である。 図２は、実施例１における溝の形状と形成位置を示す模式図である。 図３は、実施例２における溝の形状と形成位置を示す模式図である。 図４は、実施例３における溝の形状と形成位置を示す模式図である。 図５は、実施例４における溝の形状と形成位置を示す模式図である。 図６は、実施例５における溝の形状と形成位置を示す模式図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。なお、各図中の構成部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各構成部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。

（全体構成）
図１は、本発明の実施形態に係る密閉型電池１の概略構成を示す斜視図である。この密閉型電池１は、有底筒状の外装缶１０と、該外装缶１０の開口部を覆う蓋板２０と、該外装缶１０内に収納される電極体３０とを備える。

図１に示すように、外装缶１０に蓋板２０を取り付けることによって、内部に空間を有する柱状の電池ケース２が構成される。すなわち、密閉型電池１は、電池ケース２を有する。また、密閉型電池１は、蓋板２０を貫通する負極端子２２と、該負極端子２２と電池ケース２との間に配置された絶縁パッキング２１（絶縁体）とを有する。なお、電池ケース２内には、電極体３０以外に、非水電解液（以下、単に電解液という）も封入されている。

電極体３０は、それぞれシート状に形成された正極、負極及びセパレータを、例えば、正極、セパレータ、負極、セパレータの順に重ね合わせた状態で渦巻状に巻回することによって形成された巻回電極体である。特に図示しないが、電極体３０は、正極、負極及びセパレータを重ね合わせた状態で巻回した後、押しつぶして扁平状に形成される。なお、図１では、蓋板２０と電極体３０との間に配置される絶縁体等の記載は省略している。

正極は、正極活物質を含有する正極活物質層を、アルミニウム等の金属箔製の正極集電体の両面にそれぞれ設けたものである。詳しくは、正極は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能なリチウム含有酸化物である正極活物質、導電助剤及びバインダなどを含む正極合剤を、アルミニウム箔などからなる正極集電体上に塗布して乾燥させることによって形成される。正極活物質であるリチウム含有酸化物としては、例えば、ＬｉＣｏＯ_２などのリチウムコバルト酸化物やＬｉＭｎ_２Ｏ_４などのリチウムマンガン酸化物、ＬｉＮｉＯ_２などのリチウムニッケル酸化物等のリチウム複合酸化物を用いるのが好ましい。なお、正極活物質として、１種類の物質のみを用いてもよいし、２種類以上の物質を用いてもよい。また、正極活物質は、上述の物質に限られない。

負極は、負極活物質を含有する負極活物質層を、銅等の金属箔製の負極集電体の両面にそれぞれ設けたものである。詳しくは、負極は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な負極活物質、導電助剤及びバインダなどを含む負極合剤を、銅箔などからなる負極集電体上に塗布して乾燥させることによって形成される。負極活物質としては、例えば、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な炭素材料（黒鉛類、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類など）を用いるのが好ましい。負極活物質は、上述の物質に限られない。

図示しないが、電極体３０の正極には正極リードが接続されている一方、負極には負極リードが接続されている。これにより、正極リード及び負極リードが、電極体３０の外に引き出されている。正極リードの先端側は、蓋板２０に接続されている。一方、負極リードの先端側は、リード板を介して負極端子に接続されている。

外装缶１０は、アルミニウム合金製の有底筒状部材であり、後述する蓋板２０とともに電池ケース２を構成する。外装缶１０は、図１に示すように、長方形の短辺側が円弧状に形成された底面１１を有する有底筒状の部材である。詳しくは、外装缶１０は、底面１１と、滑らかな曲面を有する扁平筒状の側壁１２とを備える。この側壁１２は、対向する一対の平面部１３（側面）と、該平面部１３同士を接続する一対の半円筒部１４とを有する。外装缶１０は、底面１１の短辺方向に対応する厚み方向の寸法が、底面１１の長辺方向に対応する幅方向の寸法よりも小さくなるように、扁平形状に形成されている。また、この外装缶１０は、後述するように正極リードに接続される蓋板２０と接合されているため、密閉型電池１の正極端子も兼ねている。

（蓋板）
蓋板２０は、外装缶１０の開口部を覆うように配置されている。また、蓋板２０は、その外周縁部で外装缶１０の開口部にレーザー溶接によって接合されている。この蓋板２０は、外装缶１０と同様、アルミニウム合金製の部材からなり、該外装缶１０の開口部の内側に嵌合可能なように平面視で短辺側が円弧状に形成されている。また、蓋板２０は、その板厚が外装缶１０の側壁１２の厚みよりも大きい。

蓋板２０には、その長手方向の中央部分に貫通孔が形成されている。この貫通孔内には、ポリプロピレン製の絶縁パッキング２１（絶縁体）及びステンレス鋼製の負極端子２２が挿通している。具体的には、概略柱状の負極端子２２が挿通された概略円筒状の絶縁パッキング２１が該貫通孔の周縁部に嵌合されている。

また、図２に示すように、蓋板２０の上面（表面）には、該蓋板２０の負極端子２２と外周縁部２０ｂとの間には上面視で直線形状に溝部２３（凹部）が形成されている。また、溝部２３は、負極端子よりも５ｍｍ〜８ｍｍ長くなるように形成されている。これにより、蓋板２０にスプリングバック現象を付与することが可能になり、落下等における耐衝撃性を向上することが可能になる。本実施形態では、溝部２０ｂは、例えば、図２に示すような断面矩形状に形成されている。

蓋板２０と外装缶１０の開口部とは、レーザー溶接によって接合されている。蓋板２０の外周縁部２０ｂと外装缶１０の開口部とは、該蓋板２０の全周に亘って接合されている。すなわち、蓋板２０の外周縁部２０ｂ及び外装缶１０の開口部に跨って、溶接部１７が形成されている。この溶接部１７は、電池ケース２の最外周側に形成されるとともに、電池ケース２を縦断面で見て、蓋板２０の厚み方向に凸状に湾曲するように形成されている。このような溶接部１７を形成することにより、外装缶１０の開口部の最外周側は角部分がなく滑らかに湾曲した外表面となる。

上述の溶接部１７は、蓋板２０の溝部２３よりも外周側と外装缶１０の開口部１６とに跨って形成されている。すなわち、蓋板２０の外周縁部と外装缶１０の開口部との合わせ部分（接触部分）に、レーザー光を照射して溶融させることにより、溶融した部分が上述の溶接部１７となる。

なお、蓋板２０に設ける溝部２３は、負極端子２２の近傍であればよく、形状や形成位置は限定されず、例えば、蓋板２０における負極端子２２の短軸側に設けてもよい。

（密閉型電池の製造方法）
次に、上述のような構成を有する密閉型電池１の製造方法について説明する。

まず、有底筒状の外装缶１０及び板状の蓋板２０を形成する。なお、外装缶１０は、例えば深絞り加工によって形成される。蓋板２０を形成する際には、蓋板２０を外装缶１０の開口部を覆うような形状に形成するとともに、蓋板２０の上面に溝部２３を形成する。

上述の外装缶１０及び蓋板２０とは別に、それぞれ従来と同様の構成を有する電極体３０、負極端子２２及び絶縁パッキング２１等の各部品を製作する。

上述のように形成された外装缶１０内に、電極体３０などの各部品を配置した後、電解液を注入し、外装缶１０の開口部を蓋板２０によって覆う。蓋板２０には、貫通孔内に負極端子２２及び絶縁パッキング２１が配置されている。

外装缶１０の開口部に蓋板２０を配置した状態で、開口部と蓋板２０の外周縁部とにレーザー光を照射して溶接する。レーザー溶接は、レーザー溶接機を用いて、例えば５００Ｗから４０００Ｗの出力のレーザー光を１０００μｓの時間内で出力を変動させながら被溶接物（外装缶１０及び蓋板２０）に対して照射することにより行う。具体的には、一例として、照射時間が０μｓから１００μｓの間は出力５００Ｗのレーザー光を被溶接物に照射し、照射時間が１００μｓから２００μｓの間は出力４０００Ｗのレーザー光を被溶接物に照射する。レーザー溶接は、被溶接物に対するレーザー光の照射位置（スポット）が部分的に重なるように、蓋板２０の外周に沿って照射位置を徐々に移動させて行う。

なお、レーザー光のスポット径は、例えばφ０．４ｍｍである。

上述のようにレーザー光によって外装缶１０の開口部と蓋板２０の外周縁部とを溶接することにより、外装缶１０の開口部の最外周側に角部分がない滑らかに湾曲した外表面を有する溶接部１７が形成される。

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は、本発明を制限するものではない。

［実施例１］
外装缶１０の外形サイズを幅６０ｍｍ、高さ８０ｍｍ、幅６ｍｍとし、厚さ０．５ｍｍ蓋板１０の中央部に長さ２０ｍｍ、幅３ｍｍの負極端子２２を設け、図２に示すように、負極端子２２から０．５ｍｍの位置に、幅０．５ｍｍ、深さ０．２ｍｍの溝２２を３０ｍｍの長さで形成した。

［実施例２］
外装缶１０の外形サイズを幅６０ｍｍ、高さ８０ｍｍ、幅４ｍｍとし、厚さ０．５ｍｍ蓋板１０の中央部に長さ２０ｍｍ、幅３ｍｍの負極端子２２を設け、図３に示すように、蓋板１０の外周縁部から０．５ｍｍの位置に、幅０．５ｍｍ、深さ０．２ｍｍの溝２２を５ｍｍの長さで形成した。

［実施例３］
外装缶１０の外形サイズを幅６０ｍｍ、高さ８０ｍｍ、幅６ｍｍとし、厚さ０．５ｍｍ蓋板１０の中央部に長さ２０ｍｍ、幅３ｍｍの負極端子２２を設け、図４に示すように、負極端子２２から０．５ｍｍの位置に、幅０．５ｍｍ、深さ０．２ｍｍの溝２２を４ｍｍの長さで形成した。
上述した実施例１〜実施例３の密閉型電池の蓋板に形成した溝形状による効果の違いを調べるために、密閉型電池の落下衝撃試験を行った。

具体的には、密閉型電池１の縦断面視で、溶接部の表面が平面状の試験片と、外装缶１０の開口部１６の最外周側が滑らかな曲面になるように溶接部の表面を上述のように蓋板２０の厚み方向に湾曲させた試験片とを、それぞれ、３個ずつ（それぞれの溶接部形状においてＮｏ．１からＮｏ．３）製作した。そして、製作した試験片を１．５ｍの高さからコンクリートの床面上に繰り返し落下させて、溶接部が破損するまでの落下回数をカウントした。なお、目視で溶接部にクラックの発生が確認できた場合に、溶接部の破損と判定した。

密閉型電池の落下衝撃試験の結果、いずれの実施例においても、落下を２０回、繰り返しても、溶接部の損傷はなかった。よって、上述のように蓋板に溝部を設けることで、密閉型電池の耐衝撃性を向上させることが可能であることが分かる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、具体的な上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能であり、例えば図５や図６のような形状でも同様の効果が得られる。

前記実施形態では、蓋板２０に設ける溝部２３の断面を矩形状としている。しかしながら、溝部２３の断面は、Ｖ字状、Ｕ字状など、どのような断面形状であってもよい。

前記実施形態では、密閉型電池１の電池ケース２を、長方形の短辺側が円弧状に形成された底面を有する柱状としている。しかしながら、電池ケースの形状は、六面体など他の形状であってもよい。

前記実施形態では、密閉型電池１をリチウムイオン電池として構成している。しかしながら、密閉型電池１はリチウムイオン電池以外の電池であってもよい。

本発明は、外装缶の開口部に蓋板が溶接によって接合された電池ケースを有する密閉型電池の耐衝撃性向上に利用可能である。

１ 密閉型電池
２ 電池ケース
１０ 外装缶
１３ 平面部（側面）
１７ 溶接部
２０ 蓋板
２０ｂ 外周縁部
２１ 絶縁パッキング（絶縁体）
２２ 負極端子（端子）
２３ 溝部
３０ 電極体

Claims (5)

1. 内部に電極体及び電解液が封入された柱状の電池ケースを備えた密閉型電池であって、
   前記電池ケースの側面を構成し且つ少なくとも一つの開口部を有する外装缶と、前記電池ケースの端面を構成するように前記外装缶の開口部を覆う蓋板と、を備え、
   前記外装缶と前記開口部とは溶接されており、
   前記蓋板には端子部が設けられ、前記端子部の近傍に溝部を設けたことを特徴とする密閉型電池。
2. 前記溝部は、前記端子部と前記溶接部との間の部分に複数個設けられており、前記端子部に対して対称に配置したことを特徴とする請求項１に記載の密閉型電池。
3. 前記溝部の深さは、前記蓋板の厚みに対し３０％乃至５０％であることを特徴とする請求項２に記載の密閉型電池。
4. 前記溝部は前記蓋板の長辺方向に直線状に設けられ、前記溝部の長さは端子部のそれぞれの一端に対して５ｍｍ〜８ｍｍ長いことを特徴とする請求項２または３記載の密閉型電池。
5. 前記溝部は前記蓋板の短辺方向に直線状に設けられ、前記溝部と前記端子部との間隔を２ｍｍ〜５ｍｍとしたことを特徴とする請求項２または３記載の密閉型電池。

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