JP2016162551A - シール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ケース内への電解液の注入の際に注液口の内周面に電解液が付着することを抑止すること。【解決手段】シール装置２０は、操作部材２１と、操作部材２１の外周に設けられた弾性部３１とを有している。弾性部３１の直径Ｌ２は、捩りモーメントが付与されていない自由状態で、注液口１５の直径Ｌ１よりも大きい。弾性部３１は、捩りモーメントが付与されることで縮径して、注液口１５の直径Ｌ１よりも直径Ｌ２が短くなる。【選択図】図４

Description

本発明は、ケース内に電解液を注入する際に注液口をシールするシール装置に関する。

二次電池は、例えば特許文献１に記載されるように、ケース内に電極組立体などの電池要素を備える。ケースは、有底筒状のケース本体の開口部を蓋体で閉塞することで構成されている。また、ケースは、ケース本体の開口部を閉塞した後のケース内に電解液を注入するための注液口を備えており、その注液口は電解液の注入後に封止部材によって封止されている。また、特許文献２には、注液口の封止にブラインドリベットを用いることが提案されている。

特開２０００−９０９１４号公報 特開２０１１−７６８６５号公報

ところで、ケース内に電解液を注入する際には、注液口の内周面に電解液が付着するおそれがある。注液口の内周面に電解液が付着したまま封止部材によって注液口が封止されると、注液口のシール性が低下し、ケース内で発生した気体や電解液がケースの外部に漏れ出すおそれがある。特許文献２には、電解液を拭き取った後、封止することが記載されているが、拭き取りが可能なのはケースの表面側に留まり、細かな傷・溝を有する注液口の内周面にて拭き取りを行うことは困難である。

本発明の目的は、ケース内への電解液の注入の際に注液口の内周面に電解液が付着することを抑止することができるシール装置を提供することにある。

上記課題を解決するシール装置は、ケースに設けられた注液口から前記ケース内に電解液を注入する際に前記注液口をシールするシール装置であって、前記注液口に挿入される弾性部を備え、前記弾性部は、捩りモーメントが付与されることにより縮径して前記注液口に挿入可能となり、前記捩りモーメントが解放されることにより拡径して前記注液口の内周面に密着する。

これによれば、ケース内に電解液を注入する際には、弾性部に捩りモーメントを付与することで弾性部を縮径させる。そして、この状態で弾性部を注液口に挿入し、捩りモーメントを解放する。捩りモーメントが解放されると、弾性部は拡径して注液口の内周面に密着する。この状態でケース内に電解液を注入すると、電解液の一部が注液口に向けて飛散しても、注液口の内周面に電解液が付着しにくい。このため、注液口を封止部材によって封止したときに、注液口と封止部材との間に電解液が介在しにくく、注液口と封止部材との間に電解液が介在することに起因して注液口のシール性が低下することが抑止される。また、注液口の内周面から電解液を拭き取る必要もない。

上記シール装置について、前記注液口に挿入される軸部材を備え、前記弾性部は、前記軸部材の外周に存在する螺旋状のゴムの巻回体であり、かつ、一部が前記軸部材に固定されている。

これによれば、軸部材を回転させてゴムを捩ることにより、ゴムに捩りモーメントを付与し、弾性部を縮径させることができる。また、軸部材に付与された回転力を解放することで、ゴムに付与された捩りモーメントを解放し、弾性部を拡径させることができる。

上記シール装置について、前記軸部材は、前記ケース内に前記電解液を注入するための注液ノズルを有する。
これによれば、弾性部を注液口の内周面に密着させた後には、注液ノズルを介してケース内に電解液を注入することができる。したがって、弾性部を注液口の内周面に密着させた後に、別体の注液ノズルによって注液を行う場合に比べて、注液作業性を向上できる。

上記シール装置について、前記弾性部は、コイル部を有するトーションバネを含む。
これによれば、トーションバネに捩りモーメントを付与することによりコイル部を縮径させることができる。また、トーションバネに付与された捩りモーメントを解放することによりコイル部を拡径させることができる。

上記シール装置について、前記弾性部は、前記コイル部の外周を覆う筒状弾性体を含む。
これによれば、弾性部を注液口の内周面に密着させやすい。

本発明によれば、ケース内への電解液の注入の際に注液口の内周面に電解液が付着することを抑止することができる。

（ａ）は二次電池の斜視図、（ｂ）は封止部材を示す図１（ａ）のｂ−ｂ線断面図、（ｃ）はケースを封止する前の封止部材を示す断面図。 第１実施形態のシール装置の斜視図。 （ａ）は第１実施形態のシール装置の正面図、（ｂ）は第１実施形態のシール装置の断面図。 第１実施形態の弾性部に捩りモーメントを付与したときの弾性部の直径を示す断面図。 ケースに電解液を注入しているときのシール装置を示す断面図。 第２実施形態のシール装置の断面図。 第２実施形態のシール装置の平面図。 第２実施形態の弾性部に捩りモーメントを付与したときの弾性部の直径を示す断面図。 第２実施形態の弾性部に付与された捩りモーメントを解放したときの弾性部の直径を示す断面図。

（第１実施形態）
以下、シール装置の第１実施形態について説明する。
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、二次電池１０は、ケース１１と、ケース１１内に収容された電極組立体１２及び電解液（図示せず）とを備える。ケース１１は、有底筒状のケース本体１３と、ケース本体１３に電極組立体１２を挿入するための開口部を塞ぐ平板状の蓋体１４とを有する。蓋体１４は、その厚み方向に貫通する注液口１５を有する。注液口１５は、封止部材１６によって封止され、ケース１１内からの気体及び電解液の漏れが抑止されている。本実施形態の封止部材１６は、ブラインドリベットである。封止部材１６は、樹脂製であり、かつ、有底筒状のリベット本体１６ａと、リベット本体１６ａ内に収容され、先端に拡径部１６ｂを有する金属製の軸部１６ｃよりなる。

図１（ｃ）に示すように、ケース１１を封止する前の封止部材１６は、軸部１６ｃがリベット本体１６ａの上方まで延びており、軸部１６ｃの途中には図示しない切欠きが形成されている。

図１（ｂ）に示すように、封止状態の封止部材１６は、軸部１６ｃが上方に引っ張り上げられることで、拡径部１６ｂがリベット本体１６ａの周壁の一部を外周側へ膨らませるとともに、軸部１６ｃが切欠きで破断することで、軸部１６ｃはリベット本体１６ａの内部に一部のみ残る。これにより、リベット本体１６ａが注液口１５の内周面及び蓋体１４の内面における注液口１５の周辺に密着する。

ケース本体１３と蓋体１４は、いずれも金属製（例えばステンレス製やアルミニウム製）である。本実施形態において、二次電池１０はリチウムイオン電池である。
電極組立体１２は、正極電極、負極電極、及び正極電極と負極電極とを絶縁するセパレータを有する。正極電極は、正極金属箔（アルミニウム箔）の両面に正極活物質層を備える。負極電極は、負極金属箔（銅箔）の両面に負極活物質層を備える。正極活物質層は、正極活物質粒子同士が樹脂製のバインダにより相互に固定された多孔質層である。また、負極活物質層は、負極活物質粒子同士が樹脂製のバインダにより相互に固定された多孔質層である。そして、電極組立体１２は、複数の正極電極と複数の負極電極が交互に積層されるとともに、両電極の間にセパレータが介在された積層構造である。セパレータは、絶縁性の樹脂よりなり、電解液を含浸することでイオンの行き来を可能とする多孔性の樹脂シートである。

図１（ａ）に示すように、二次電池１０は、電極組立体１２の正極電極に接続された正極端子１７、及び、電極組立体１２の負極電極に接続された負極端子１８を備える。正極端子１７及び負極端子１８は蓋体１４に固定されている。

一般的な二次電池の製造方法を挙げる。まず、電極組立体１２を製造した後、電極組立体１２に正極端子１７及び負極端子１８を接続し、それらを蓋体１４に固定する。次に、電極組立体１２をケース本体１３に挿入後、蓋体１４をケース本体１３に接合して、ケース本体１３の開口部を蓋体１４で閉塞する。次に、注液口１５からケース１１内に電解液を注入し、その後、注液口１５を封止部材１６で封止する。

次に、二次電池１０の製造過程において、ケース１１内に電解液を注入する際に用いられるシール装置について説明する。
図２、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、シール装置２０は、軸部材としての操作部材２１と、操作部材２１の外周に設けられた弾性部３１とを有している。

操作部材２１は、円柱状の本体２２を備える。本体２２の中心軸線の延びる方向を軸線方向とすると、操作部材２１は、本体２２の軸線方向の一端に第１端部２２ａを備え、他端に第２端部２２ｂを備える。操作部材２１は、本体２２の第１端部２２ａに本体２２の外周面から突出する形状のフランジ２３を有している。

また、本実施形態の操作部材２１は、電解液が貯留されるタンクＴと配管を通じて連通する注液ノズル２４と、真空ポンプ（図中ポンプと記載）Ｐと配管を通じて連通する排気ノズル２５とを有している。注液ノズル２４と排気ノズル２５は、本体２２を貫通している。操作部材２１が注液口１５に挿入された状態で、注液ノズル２４は、ケース１１内に電解液を注入可能である。操作部材２１が注液口１５に挿入された状態で、排気ノズル２５は、ケース１１内から空気を吸引可能である。したがって、本実施形態のシール装置２０は、ケース１１内に電解液を注入する注液装置としても機能する。

弾性部３１は、紐状のゴム３２を操作部材２１に対して螺旋状に巻き付けることで構成された螺旋状の巻回体である。ゴム３２は、その第１端部３２ａがフランジ２３に接着や溶着などにより固定されている。また、ゴム３２は、第１端部３２ａから第２端部３２ｂまでの部分が本体２２に巻き付けられ、ゴム３２の第２端部３２ｂは、本体２２の軸線方向の途中にある。ゴム３２は、第１端部３２ａ以外は、本体２２の外周面に対し固定されておらず、本体２２はゴム３２に対し相対回転可能である。このため、ゴム３２には、捩りモーメントを付与することで捩り可能である。

上記した弾性部３１の直径Ｌ２は、捩りモーメントが付与されていない自由状態で、注液口１５の直径Ｌ１よりも大きい。なお、弾性部３１の直径Ｌ２とは、ゴム３２を操作部材２１に巻き付けることで円筒状に構成された弾性部３１の直径であり、紐状のゴム３２そのものの直径を示すものではない。

次に、上記シール装置２０を用いたケース１１内への電解液の注入方法について作用とともに説明する。
図４に示すように、ケース１１内に電解液を注入するときには、シール装置２０を注液口１５に挿入する。注液口１５にシール装置２０を挿入する前には、弾性部３１を構成したゴム３２の第２端部３２ｂを治具４１によって保持し、第２端部３２ｂを回転不能な状態にする。治具４１としては、例えば、弾性部３１を挟持することができる一対の治具が用いられ、この治具４１は図示しない固定具に回転不能に固定されている。そして、治具４１により弾性部３１の第２端部３２ｂを回転不能に保持した状態で、操作部材２１を回転させる。弾性部３１において、フランジ２３に固定された第１端部３２ａは操作部材２１の回転とともに回転するのに対して、治具４１に回転不能にされた第２端部３２ｂは回転が規制されるため、弾性部３１（ゴム３２）には第２端部３２ｂ以外に捩りモーメントが付与される。この捩りモーメントにより、ゴム３２は伸長して全長は長くなる一方で、ゴム３２の太さは細くなり、結果として弾性部３１が縮径していく。

そして、弾性部３１の直径Ｌ２が注液口１５の直径Ｌ１よりも小さくなるまで操作部材２１を回転させた後に、操作部材２１とともに弾性部３１を注液口１５に挿入する。シール装置２０は、注液口１５の内周面の全面が弾性部３１と対向するように注液口１５に挿入される。

図５に示すように、シール装置２０を注液口１５に挿入した後には、治具４１による弾性部３１の保持を解除することで弾性部３１に付与された捩りモーメントが解放される。これにより、縮径された弾性部３１は元の形状に戻ろうとするため、弾性部３１は拡径する。ここで、捩りモーメントが付与されていない自由状態での弾性部３１の直径Ｌ２は、注液口１５の直径Ｌ１よりも大きいため、弾性部３１の外周面は、注液口１５の内周面に密着し、弾性部３１によって注液口１５の内周面が、蓋体１４の厚み方向も含め、全面に亘って覆われる。

そして、注液ノズル２４からケース１１内に電解液２６を注入する。電解液２６を注入する際には、真空ポンプＰを駆動することでケース１１内から空気を排出し、電解液２６の注入と並行して行うことで、注液作業の時間を短縮できる。ケース１１内からの空気の排出は、電解液２６の注入と並行して行われてもよいし、ケース１１内への電解液２６の注入を開始する前に行われてもよい。

ケース１１内への電解液２６の注入が終わった後には、シール装置２０を注液口１５に挿入したときと同様に、弾性部３１を縮径させてシール装置２０を注液口１５から抜く。
その後、注液口１５を仮封止栓により封止して所定の温度環境下で自己放電させるエージングなどを行い、仮封止栓を開放して内部のガスなどを放出した後、封止部材１６により注液口１５を封止する。

したがって、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）シール装置２０は、弾性部３１を備え、この弾性部３１は捩りモーメントの付与により縮径し、捩りモーメントの付与の解除により拡径する。そして、シール装置２０を用いて電解液２６の注入時に注液口１５の内周面を弾性部３１でシールすることができる。このため、電解液２６の注入時に電解液２６の一部が注液口１５に向けて飛散しても、注液口１５の内周面に電解液２６が付着しにくい。このため、注液口１５を封止部材１６によって封止したときに、注液口１５と封止部材１６との間に電解液が介在しにくく、注液口１５と封止部材１６との間に電解液２６が介在することに起因して注液口１５のシール性が低下することが抑止される。ケース１１内に電解液２６を注入する際に電解液２６が注液口１５の内周面に付着することが抑止されているため、注液口１５と封止部材１６との間に電解液２６が介在していない二次電池１０を得ることができる。また、注液口１５の内周面に電解液２６が付着することが抑止されるため、注液口１５の内周面から電解液２６を拭き取る作業が不要となる。

（２）注液ノズル２４からケース１１内に電解液２６が注入されると、電解液２６の一部はケース１１内で飛散する。特に、本実施形態では、真空ポンプＰによってケース１１内の空気を排出しながら電解液２６を注入することで作業時間を短縮しているため、空気の排出に伴い、電解液２６が飛散しやすい。電解液２６の一部は、注液口１５に向けて飛散するが、注液口１５の内周面は、全面に亘って弾性部３１に覆われているため、注液口１５の内周面に電解液２６が付着することが抑止されている。

（３）弾性部３１は、フランジ２３に第１端部３２ａが固定された状態で操作部材２１にゴム３２を巻き付けることで構成されている。このため、操作部材２１を回転させてゴム３２を捩ることで、弾性部３１の直径を変化させることができ、弾性部３１の直径を注液口１５の直径より短くする作業が簡単である。

（４）操作部材２１は、注液ノズル２４を有している。このため、操作部材２１の注液口１５への挿入と同時に、注液ノズル２４を注液口１５に挿通できる。よって、弾性部３１によって注液口１５の内周面をシールすると同時に、注液ノズル２４を注液口１５に挿通できる。したがって、注液口１５をシールした後に、注液ノズル２４を注液口１５に挿入する場合と比べて、注液作業性を向上できる。

（第２実施形態）
以下、シール装置の第２実施形態について説明する。
図６及び図７に示すように、本実施形態のシール装置５０は、弾性部７０を備え、この弾性部７０は、トーションバネ５１と、トーションバネ５１を収容する筒状弾性体６１とを備える。

トーションバネ５１は、金属製のコイル部５２と、コイル部５２の一端と一体の第１入力部５３と、コイル部５２の他端と一体の第２入力部５４とを有している。
コイル部５２の中心軸の延びる方向を軸線方向とすると、第１入力部５３と第２入力部５４は、コイル部５２の軸線方向の一方の開口部からコイル部５２の外部に突出する形状である。

第１入力部５３及び第２入力部５４が、コイル部５２の周方向において互いに近づく方向（図７に示す矢印Ｎ１方向）に動かされると、トーションバネ５１の圧縮量、つまりコイル部５２の巻き方向における圧縮量が増大して、コイル部５２の直径は小さくなる。なお、上述した第１入力部５３及び第２入力部５４の形状は一例であり、トーションバネ５１の圧縮量調整に適した形状を有していればよい。

コイル部５２は、ゴム製の筒状弾性体６１の内部に配設されている。トーションバネ５１に捩りモーメントが付与され、トーションバネ５１が圧縮された状態でのコイル部５２の外径は、筒状弾性体６１の内径よりも若干大きい。従って、筒状弾性体６１は、トーションバネ５１に対する捩りモーメントの付与状態に関わらず、常にその内周面がコイル部５２の外周面に当接している。

筒状弾性体６１は、コイル部５２に合わせて弾性変形することで、コイル部５２の直径に応じて直径（外径）が変動し、コイル部５２が拡径すれば筒状弾性体６１も拡径し、コイル部５２が縮径すれば筒状弾性体６１も縮径する。

そして、トーションバネ５１に捩りモーメントが付与される前の弾性部７０の直径Ｌ３は、注液口１５の直径Ｌ１よりも大きく、その一方で、トーションバネ５１が所定量圧縮され、トーションバネ５１にある程度の捩りモーメントが付与されている状態での弾性部の直径Ｌ３は、注液口１５の直径Ｌ１よりも小さくなるように、筒状弾性体６１の内径及び外径は設定されている。なお、本実施形態の弾性部７０の直径Ｌ３とは、注液口１５と対向する弾性部７０の最外周面を有する筒状弾性体６１の直径となる。

次に、上記シール装置５０を用いたケース１１内への電解液の注入方法について作用とともに説明する。
図８に示すように、ケース１１内に電解液を注入するときには、シール装置５０を注液口１５に挿入する。注液口１５にシール装置５０を挿入する前には、第１入力部５３及び第２入力部５４を、コイル部５２の周方向において互いに近づく方向に動かす。すると、トーションバネ５１が圧縮されてトーションバネ５１には捩りモーメントが付与される。トーションバネ５１に捩りモーメントが付与されると、コイル部５２の直径が縮径するため、コイル部５２を収容した筒状弾性体６１も縮径する。この縮径状態にある弾性部７０の直径Ｌ３が、注液口１５の直径Ｌ１よりも小さくなるまで、トーションバネ５１を捩り方向に圧縮させる。

図９に示すように、注液口１５内へのシール装置５０の挿入が完了すると、次に、第１入力部５３及び第２入力部５４が互いに近づく方向への外力入力が中止される。すると、トーションバネ５１に付与された捩りモーメントが解放されることにより、縮径されたコイル部５２は元の形状に戻ろうとするため、コイル部５２は拡径する。こうしたコイル部５２の拡径により、同コイル部５２が収容された筒状弾性体６１が外周方向に押されるため、弾性部７０も拡径する。トーションバネ５１に捩りモーメントが付与される前の弾性部７０の直径Ｌ３は、注液口１５の直径Ｌ１よりも大きいため、筒状弾性体６１の外周面が注液口１５の内周面に密着する。

そして、筒状弾性体６１の外周面を注液口１５の内周面に密着させた後には、コイル部５２内に注液ノズル８０を挿入し、注液ノズル８０からケース１１内に電解液を注入する。

したがって、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（５）第１入力部５３と第２入力部５４によってトーションバネ５１に捩りモーメントを付与することで、コイル部５２を縮径させることができる。一方、トーションバネ５１への捩りモーメントの付与を解放することで、コイル部５２を拡径させることができる。このため、トーションバネ５１への捩りモーメントの付与と、その解放によって弾性部７０による注液口１５のシールを行うことができる。

（６）コイル部５２は、筒状弾性体６１に収容されている。金属製のトーションバネ５１に比べて、ゴム製の筒状弾性体６１は変形しやすいため、弾性部７０が注液口１５の内周面に密着しやすく、注液口１５の内周面に電解液が付着することを好適に抑止することができる。

なお、実施形態は、以下のように変更してもよい。
○第１実施形態において、操作部材２１は、注液ノズル２４と排気ノズル２５を有していなくてもよい。この場合、操作部材２１の軸線方向に貫通する挿入部を操作部材２１に設け、その挿入部に注液ノズルを挿入し、この挿入部を介して電解液の注液を行うなど、操作部材を注液口に挿入したまま電解液を注入できる機構を設ける。

○第１実施形態において、操作部材２１は、排気ノズル２５を有さず、注液ノズル２４のみを有していてもよい。この場合、電解液２６の注入の際に真空ポンプＰによるケース１１内の空気の排出を行わなくてもよい。

○第２実施形態において、弾性部は、トーションバネ５１のみでもよい。この場合、トーションバネ５１のコイル部５２の外周面が注液口１５の内周面に密着することで注液口１５の内周面が覆われる。

○各実施形態において、注液口１５は、ケース本体１３に設けられていてもよい。
○各実施形態において、注液口１５の形状は、四角状など、円形状以外でもよい。
○各実施形態において、二次電池１０は、ニッケル水素二次電池など、リチウムイオン電池とは異なる二次電池であってもよい。

○各実施形態において、注液口１５の内周面は、弾性部によって蓋体１４のケース１１内側に面する内周の全周が少なくとも覆われていればよい。
○封止部材１６はブラインドリベットに限定されるものではなく、金属製の封止栓をレーザー溶接により固定する構造であってもよい。

１１…ケース、１５…注液口、２０，５０…シール装置、２１…操作部材、２４…注液ノズル、２６…電解液、３１，７０…弾性部、５１…トーションバネ、５２…コイル部、６１…筒状弾性体。

Claims (5)

1. ケースに設けられた注液口から前記ケース内に電解液を注入する際に前記注液口をシールするシール装置であって、
   前記注液口に挿入される弾性部を備え、
   前記弾性部は、捩りモーメントが付与されることにより縮径して前記注液口に挿入可能となり、前記捩りモーメントが解放されることにより拡径して前記注液口の内周面に密着するシール装置。
2. 前記注液口に挿入される軸部材を備え、
   前記弾性部は、前記軸部材の外周に存在する螺旋状のゴムの巻回体であり、かつ、一部が前記軸部材に固定されている請求項１に記載のシール装置。
3. 前記軸部材は、前記ケースに前記電解液を注入するための注液ノズルを有する請求項２に記載のシール装置。
4. 前記弾性部は、コイル部を有するトーションバネを含む請求項１に記載のシール装置。
5. 前記弾性部は、前記コイル部の外周を覆う筒状弾性体を含む請求項４に記載のシール装置。