JP2017107773A

JP2017107773A - 密閉型電池の製造方法

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Publication number: JP2017107773A
Application number: JP2015241569A
Authority: JP
Inventors: 松浦　智浩; Tomohiro Matsuura; 智浩松浦
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2017-06-15
Anticipated expiration: 2035-12-10
Also published as: JP6548031B2

Abstract

【課題】材料歩留まりと電池容器の角部の強度の問題を解消できるとともに、高い生産性で、電池容器の短側面に安全弁および注液口の少なくとも一方を有する密閉型電池を製造可能な方法を提供する。【解決手段】ここに開示される密閉型電池の製造方法は、矩形状の底面と一対の短側面と一対の長側面と底面に対向する開口部とを有する有底角型の電池容器を作製する工程Ｓ１０、および電池容器を用いて密閉型電池を構築する工程Ｓ２０を含む。上記工程Ｓ１０は、矩形状の底面と、底面に連なり且つ底面からそれぞれ折れ曲がった一対の長側面とから構成される第１の部材を、一枚の第１の平板から形成すること、および一対の短側面のそれぞれを構成する第２および第３の平板を準備し、第２および第３の平板をそれぞれ第１の部材に一方向から溶接することを含む。第２および第３の平板の少なくとも一方は、安全弁および注液口の少なくともいずれかを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、密閉型電池の製造方法に関する。

近年、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池その他の種類の密閉型電池は、車両搭載用電源あるいはパソコンや携帯端末等の電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池を構成する密閉型電池は、車両搭載用の高出力電源として好ましく用いられている。

密閉型電池の典型的なものは、電極体が電池容器に収容された構造を有する。電池容器には、強度および軽量化の両立の観点から、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属製の容器が用いられることが多い。車両の駆動用高出力電源に用いられるような特に大型の密閉型電池を製造する場合には、短側面と長側面とを有する有底角型の電池容器が用いられることが多い。電池容器の製造方法の一つとして、いわゆる深絞り成型がある。しかしながら、例えば車両の駆動用高出力電源に用いられるような特に大型の電池容器を製造する場合には、深絞り成型では肉厚のばらつきが大きくなりやすいという問題がある。

このような深絞り成型の問題を解決するために、金属製の平板を折曲して電池容器を形成することが提案されている。例えば、特許文献１には、容器の展開形状となっている一枚の金属製の平板を折曲して、前記容器の形状とする折曲工程、および前記折曲工程により突き合わせ状態、または重ね合わせ状態となった前記平板の部分を溶接により接合する溶接工程を実施することにより、電池容器を製造することが提案されている。

また、特許文献２には、第１のステンレス板を断面Ｌ字状に、第２のステンレス板を断面コ字状に折り曲げた後、第１のステンレス板および第２のステンレス板を向かい合わせ、第１のステンレス板と第２のステンレス板の端部同士をレーザ溶接することにより、電池容器を製造することが提案されている。

特開２０１３−８６６５号公報特開２００２−１９８０１１号公報

特許文献１に記載の方法において、容器の展開形状となっている一枚の金属製の平板を準備するためには、一枚の金属製の原板から容器の展開形状の平板を切り取る必要があり、このとき、金属製の原板に廃棄する部分が存在する。このため、特許文献１に記載の方法には、材料歩留まりが悪いという問題がある。また、密閉型電池は、電池容器の封口板において通常、安全弁や注液口を備える。密閉型電池が捲回電極体を備える場合には、電池容器の短側面において安全弁や注液口を備えた方が、電極体から発生したガスの速やかな排出や、電解液の電極体内部への速やかな浸透の面から有利であると考えられる。特許文献１に記載の方法では、短側面において溶接が行われるため、電池容器の短側面に安全弁や注液口を設けることは困難である。

特許文献２に記載の方法においては、第１のステンレス板と第２のステンレス板の端部同士をレーザ溶接する際に、二方向から溶接が行われる角部が存在する。角部において二方向からレーザを照射して溶接が行われると、角部の強度が弱くなるという問題がある。また、特許文献２に記載の方法においては、ステンレス板の折曲により短側面が形成されるが、折曲後の短側面に安全弁や注液口を設けることは、生産面において望ましくない。また、折曲前に安全弁や注液口を予め設けて、折曲により短側面を形成する場合、安全弁や注液口の形状によっては、安全弁や注液口が折曲操作の妨げとなり得る。

そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を解消することを目的とする。すなわち、材料歩留まりと電池容器の角部の強度の問題を解消できるとともに、高い生産性で、電池容器の短側面に安全弁および注液口の少なくとも一方を有する密閉型電池を製造可能な方法を提供することを目的とする。

ここで開示される密閉型電池の製造方法は、矩形状の底面と、相互に対向する一対の短側面と、相互に対向する一対の長側面と、該底面に対向する開口部とを有する有底角型の電池容器を作製する工程、および前記電池容器を用いて、前記電池容器に電極体が収容された密閉型電池を構築する工程を包含する。前記電池容器を作製する工程は、前記矩形状の底面と、該底面に連なり且つ該底面からそれぞれ折れ曲がった相互に対向する一対の長側面とから構成される第１の部材を、準備した一枚の第１の平板から形成すること；および相互に対向する一対の短側面のそれぞれを構成する第２の平板および第３の平板を準備し、これら第２の平板および第３の平板をそれぞれ前記第１の部材に一方向から溶接することにより、前記有底角型の電池容器を形成すること、ここで、前記第２の平板および前記第３の平板の少なくとも一方が、安全弁および注液口の少なくともいずれかを有する；を包含する。

このような構成によれば、電池容器の製造に用いられるのは、基本的に方形状の３枚の平板であるため、３枚の平板を切り出す金属製の原板において、廃棄する部分をなくすことができ、材料歩留まりについての問題を解消することができる。また、第２の平板と第１の部材との溶接および第３の平板と第１の部材との溶接をそれぞれ、一方向から行うことができるため、二方向から溶接が行われる場合に起こり得る電池容器の角部の強度低下の問題も解消することができる。また、折曲が行われない第２の平板および第３の平板の少なくとも一方が安全弁および注液口の少なくともいずれかを有するため、容易に生産性よく、短側面に安全弁や注液口が設けられた電池容器を得ることができる。よって、このような構成によれば、材料歩留まりと電池容器の角部の強度の問題を解消できるとともに、高い生産性で、電池容器の短側面に安全弁および注液口の少なくとも一方を有する密閉型電池を製造することができる。

本発明の一実施形態に係る密閉型電池の製造方法の工程を示すフローチャートである。（ａ）は、一実施形態に係る密閉型電池の製造方法の電池容器作製工程における第１の平板の準備および折曲操作を模式的に示す図であり、（ｂ）は、当該電池容器作製工程における第２および第３の平板の準備および第１の平板への溶接までの操作を模式的に示す図であり、（ｃ）は、当該電池容器作製工程を経て得られる有底角型の電池容器を模式的に示す図である。本発明の一実施形態に係る密閉型電池の製造方法により得られる密閉型電池の一例を模式的に示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態のいくつかを説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、本発明を特徴付けない密閉型電池の一般的な構成および製造プロセス）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。

図１は、本実施形態に係る密閉型電池の製造方法の工程の概略を示すフローチャートである。本実施形態に係る製造方法は、矩形状（長方形状）の底面と、相互に対向する一対の短側面と、相互に対向する一対の長側面と、該底面に対向する開口部とを有する有底角型の電池容器を作製する工程（電池容器作製工程）Ｓ１０と、上記電池容器を用いて、上記電池容器に電極体が収容された密閉型電池を構築する工程（密閉型電池構築工程）Ｓ２０とを包含する。電池容器作製工程Ｓ１０は、上記矩形状の底面と、該底面に連なり且つ該底面からそれぞれ折れ曲がった相互に対向する一対の長側面とから構成される第１の部材を、準備した一枚の第１の平板から形成すること；および相互に対向する一対の短側面のそれぞれを構成する第２の平板および第３の平板を準備し、これら第２の平板および第３の平板をそれぞれ上記第１の部材に一方向から溶接することにより、有底角型の電池容器を形成すること、ここで、第２の平板および第３の平板の少なくとも一方が、安全弁および注液口の少なくともいずれかを有する；を包含する。

図２を用いて本実施形態に係る密閉型電池の製造方法の電池容器作製工程Ｓ１０を詳細に説明する。図２（ａ）〜（ｃ）は、電池容器作製工程Ｓ１０を模式的に示すものである。当該工程Ｓ１０で作製される電池容器１０は、上面に開口部１８を有する有底角型の電池容器である。電池容器１０は、矩形状の底面１４と、当該底面１４に連なり且つ該底面１４から垂直に折れ曲がった相互に対向する一対の長側面１２と、該長側面１２および底面１４に対してそれぞれ垂直な状態に配置された相互に対向する一対の短側面１６とを有する。なお、長側面１２とは、矩形状の底面１４の長辺を一辺として有する側面のことをいい、短側面１６とは、矩形状の底面１４の短辺を一辺として有する側面のことをいう。

図２（ａ）に示すように、一枚の第１の平板２０を準備する。この第１の平板２０から、電池容器１０の一対の長側面１２および底面１４が形成される。したがって、第１の平板２０の大きさは、電池容器１０の一対の長側面１２および底面１４の寸法に従い決定される。第１の平板２０は通常、方形状（典型的には矩形状）である。第１の平板２０は、アルミニウム製、アルミニウム合金製、ステンレス鋼製などの金属製であることが好ましい。

第１の平板２０において、電池容器１０の一対の長側面１２となる部分および底面１４となる部分をそれぞれ定め、折り曲げ部分（即ち折り目となる部分）を決定する。一対の長側面１２は通常、互いに同じ大きさである。図２（ａ）では、折り曲げ部分（折り目部分）は、破線で示されている。２本の破線間の部分が、底面１４となる部分である。１本の破線から図面の水平方向の端部（即ち開口部の周縁（長辺部）を構成する端部）までの部分が、一対の長側面１２となる部分である。この折り目に沿って、図２（ａ）の矢印方向に第１の平板２０を折り曲げる。折り曲げは、典型的には、底面１４から一対の長側面１２が垂直に立ち上がるように、一対の長側面１２と底面１４との角度が９０°となるように行われる。このようにして一対の長側面１２と底面１４とから構成される第１の部材が形成される。

図２（ｂ）に示すように、一対の第２の平板３０および第３の平板４０を準備する。これら第２の平板３０および第３の平板４０から、電池容器１０の一対の短側面１６が形成される。したがって、第２の平板３０および第３の平板４０の大きさは、電池容器１０の一対の短側面１６の寸法に従い決定される。第２の平板３０および第３の平板４０は通常、方形状（典型的には矩形状）である。第２の平板３０および第３の平板４０は、通常、互いに同じ大きさである。第２の平板３０および第３の平板４０は、アルミニウム製、アルミニウム合金製、ステンレス鋼製などの金属製であることが好ましい。

ここで、第２の平板３０および第３の平板４０の少なくとも一方が、安全弁３２および注液口３４の少なくともいずれかを有する。安全弁３２は、密閉型電池の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に開弁して該内圧を開放するように設計されている。注液口３４は、非水電解液を注入可能な寸法と形状を有する。図２では、第２の平板３０が、安全弁３２および注液口３４の両方を有している。しかしながら、第２の平板３０が、安全弁３２および注液口３４の一方のみを有していてもよい。また、第２の平板３０が、安全弁３２を有し、且つ第３の平板４０が注液口３４を有していてもよい。

第２の平板３０および第３の平板４０の厚さ、材質等は、第１の平板２０と同じであっても異なっていてもよい。例えば、電池容器作製工程Ｓ１０の実施が容易になることから、第１の平板２０を曲げ性の良いＡ１０５０アルミニウムから形成し、第２の平板３０および第３の平板４０を溶接性の良い、Ａ３００３アルミニウム合金またはＡ５０５２アルミニウム合金から形成してもよい。ガス発生等による長側面１２における電池容器１０の膨らみを防止する観点から、第１の平板２０の厚さを、第２の平板３０および第３の平板４０の厚さよりも大きくしてもよい。あるいは、電極体に捲回電極体を用いる場合には、捲回電極体で高温ガスが発生した際には、高温ガスは最初に短側面１６に衝突する。短側面１６を強化する、あるいは熱容量を大きくして高温ガスによる温度上昇を抑制する観点から、第２の平板３０および第３の平板４０の厚さを、第１の平板２０の厚さよりも大きくしてもよい。

かかる一対の第２の平板３０および第３の平板４０を、それぞれ、第１の部材（折り曲げられた第１の平板）２０の一対の長側面１２の端部および底面１４の端部に配置する。これにより、底面１４の対向面（電池使用時には、通常、電池の上面となる。以下、かかる対向面を「上面」という。）に開口部１８を有する有底の直方体が得られる。
そして、図２（ｂ）に示すように、第２の平板３０および第３の平板４０を、所定の位置に配置した後、これら第２の平板３０および第３の平板４０を、それぞれ、第１の部材２０に溶接する操作が行われる。溶接は、例えばレーザ溶接等により行われる。溶接は、例えば、一対の短側面１６に垂直な方向（即ち、外部から短側面１６の外表面に向かう方向）から行う。即ち、第２の平板３０と第１の部材２０との溶接、および第３の平板４０と第１の部材２０との溶接は、それぞれ、一方向（典型的には、外部から第２の平板３０および第３の平板４０の外表面に対して垂直な方向）からレーザ光を照射することにより行われる。

以上のようにして第１の平板２０から第１の部材を形成し、さらに当該第１の部材２０に第２の平板３０および第３の平板４０を溶接することにより、図２（ｃ）に示すような、上面に開口部１８を有する有底角型の電池容器１０が製造される。
なお、図２では、底面１４に対して、一対の長側面１２および一対の短側面１６が垂直になっている。しかしながら、一対の長側面１２および一対の短側面１６は、底面１４に対して垂直でなくてもよい。

上記のとおり、かかる電池容器１０の製造に用いられるのは、基本的に方形状（典型的には矩形状）の３枚の平板（第１の平板２０、第２の平板３０および第３の平板４０）であるため、３枚の平板（第１の平板２０、第２の平板３０および第３の平板４０）を切り出す金属製の原板において、廃棄する部分をなくすことができ、材料歩留まりについての問題を解消することができる。
また、第２の平板３０と第１の部材（折り曲げられた第１の平板）２０との溶接、および第３の平板４０と第１の部材２０との溶接をそれぞれ、一方向から行うことができるため、二方向から溶接が行われる場合に起こり得る電池容器の角部の強度低下の問題も解消することができる。
また、折曲が行われない第２の平板３０および第３の平板４０の少なくとも一方が、安全弁３２および注液口３４の少なくともいずれかを有するため、容易に生産性よく、短側面１６に安全弁３２や注液口３４が設けられた電池容器１０を得ることができる。
また、折り曲げ箇所が２箇所であるため、電池容器１０の生産性が、より多くの折り曲げ箇所（折り曲げ回数）を必要とする先行技術（特許文献１および２に記載の技術）と比べて向上している。
また、深絞り成型で作製される電池容器の材質よりも、強度の高い材質を用いて電池容器１０を作製することができる。

次に密閉型電池構築工程Ｓ２０について説明する。当該密閉型電池構築工程Ｓ２０は、公知方法に準じて行うことができる。図３に、電池容器作製工程で作製した電池容器１０を用いて密閉型電池（非水電解質二次電池）１００を構成した例を示す。密閉型電池１００は、例えばリチウムイオン二次電池である。なお、「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、いわゆる蓄電池ならびに電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。また、「リチウムイオン二次電池」とは、電荷担体としてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。

密閉型電池構築工程Ｓ２０において、例えば、まず、扁平形状の捲回電極体５０を常法に従い用意する。捲回電極体５０は、例えば、正極シート、負極シートおよびセパレータを積層し、捲回した後、側面方向から押しつぶして拉げさせることによって作製することができる。このとき、捲回電極体５０の捲回軸方向（図３の矢印の方向）の両端部に、正極シート露出部５２と負極シート露出部５４とが形成されるようにする。

次に、封口板６０を用意する。封口板６０は、電池容器１０の開口部１８を塞ぐ寸法を有する。封口板６０は、アルミニウム製、アルミニウム合金製、ステンレス鋼製などの金属製であることが好ましい。
封口板６０に、正極内部端子７２、正極外部端子７４およびボルト７６を取り付けると共に、負極内部端子８２、負極外部端子８４およびボルト８６を取り付ける。次に、正極内部端子７２と正極シート露出部５２とを溶接する。これにより、正極シート露出部５２は、正極内部端子７２と接続され、正極外部端子７４を介してボルト７６に電気的に接続される。一方で、負極内部端子８２と負極シート露出部５４とを溶接する。これにより、負極シート露出部５４は、負極内部端子８２と接続され、負極外部端子８４を介してボルト８６に電気的に接続される。

次に、捲回電極体５０を、電池容器１０に対し、その捲回軸方向が直方体形状の電池容器１０の短側面１６に直交する方向となるように収容し、封口板６０と電池容器１０とを封止する。封止は、レーザ溶接等により行うことができる。その後、注液口３４より、非水電解液を注入し、注液口３４を封止する。

以上のようにして密閉型電池１００を製造することができる。図３では、密閉型電池１００の短側面１６には、安全弁３２が設けられている。したがって、図３のように、捲回電極体５０を用いた場合には、捲回電極体５０に異常が生じてガスが急激に発生した際に、安全弁３２より当該ガスを速やかに排出することができる。また、密閉型電池１００の短側面１６には、注液口３４が設けられている。したがって、図３のように、捲回電極体５０を用いた場合には、注液口３４より非水電解液を、短側面１６に対向している捲回電極体５０の開口端面に向けて注入できるため、非水電解液を捲回電極体５０の内部に速やかに浸透させることができる。よって、本実施形態では、電極体として積層型電極体を用いることもできるが、図３のように捲回電極体５０を用いることの意義が大きい。

密閉型電池１００は、各種用途に利用可能であり、特に大型電池として利用することが有利である。好適な用途としては、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等の車両に搭載される駆動用電源などが挙げられる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

１０電池容器
１２長側面
１４底面
１６短側面
１８開口部
２０第１の平板（第１の部材）
３０第２の平板
３２安全弁
３４注液口
４０第３の平板
５０捲回電極体
６０封口板
７２正極内部端子
７４正極外部端子
７６ボルト
８２負極内部端子
８４負極外部端子
８６ボルト
１００密閉型電池

Claims

矩形状の底面と、相互に対向する一対の短側面と、相互に対向する一対の長側面と、該底面に対向する開口部とを有する有底角型の電池容器を作製する工程、および
前記電池容器を用いて、前記電池容器に電極体が収容された密閉型電池を構築する工程
を包含する、密閉型電池の製造方法であって、
前記電池容器を作製する工程が、
前記矩形状の底面と、該底面に連なり且つ該底面からそれぞれ折れ曲がった相互に対向する一対の長側面とから構成される第１の部材を、準備した一枚の第１の平板から形成すること；および
相互に対向する一対の短側面のそれぞれを構成する第２の平板および第３の平板を準備し、これら第２の平板および第３の平板をそれぞれ前記第１の部材に一方向から溶接することにより、前記有底角型の電池容器を形成すること、ここで、前記第２の平板および前記第３の平板の少なくとも一方が、安全弁および注液口の少なくともいずれかを有する；
を包含する、密閉型電池の製造方法。