JP2018185969A - 封止栓および二次電池ならびに二次電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】板材に設けられた貫通孔のシール性を向上する。【解決手段】封止栓２６は、リベット２７とシール部材２８とを有し、リベット２７は板材の貫通孔２５に挿入される中空軸芯３１と、板材の外面に対向する皿部３２と、板材の内面に突出する突部３５とを備え、シール部材２８は、突部３５から皿部３２にまで延在する。貫通孔２５は貫通孔２５の内部の部分のシール部材２８によりシールされるとともに、突部３５の外側の部分のシール部材２８によりシールされ、貫通孔２５は確実に封止される。封止栓２６は電池容器の蓋板１３に形成された貫通孔２５を封止するためにも適用される。【選択図】図５

Description

本発明は、板材に設けられた貫通孔を封止する封止栓および封止栓が設けられる二次電池ならびに二次電池の製造方法に関する。

板材により形成され、内部に液体を収容する容器等には、内部に液体を注入するための注液孔として貫通孔が形成され、液体を注入した後に貫通孔を封止するためにリベットが用いられることがある。例えば、二次電池は電池容器を有し、電池容器にはその内部に電解液を注入するための貫通孔が形成され、電解液を注入した後に、貫通孔を封止するためにリベットが使用される。

二次電池は、充電を行うことにより電気を蓄える蓄電機能を有しており、二次電池には、鉛電池、ニッケルカドミウム電池、リチウムイオン電池等がある。このような二次電池は、携帯型電子機器の駆動源として使用され、さらにハイブリッド自動車や電気自動車の電力供給源として使用される。また、二次電池は、工場やオフィスビルにおいて電力をバックアップしたり、風力発電や太陽光発電等の分散型再生可能エネルギーを利用したりするための電力貯蔵設備として使用される。

二次電池は、正極板および負極板を備えた電極群と電解液とを有しており、これらは板材からなる電池容器に収容される。例えば、リチウムイオン電池は、正極板と負極板とこれらの間に配置されて正極板と負極板との短絡を防止するセパレータとを積層して得られる電極群を有しており、電解液としては、有機溶媒にリチウム塩が溶解された非水電解液が使用される。正極板と負極板とセパレータとを円筒形状に捲回積層して電極群を形成し、電極群の端部に集電タブを配置した形態の二次電池は円筒型である。一方、電極群を円筒形状に捲回することなく、扁平形状に捲回、または直方体形状に積層した形態の二次電池は角型である。

円筒型の電池容器は、側板とこの側板の両端部に取り付けられる蓋板とを有し、角型の電池容器は箱体とこれの開口部を覆う蓋板とを有している。それぞれの蓋板には電解液を電気容器内に注入するための貫通孔が設けられている。貫通孔をねじ孔とした電池容器においては、電解液を注入した後にねじ孔に封止ねじをねじ止めして貫通孔を封止する。この形態の二次電池においては、蓋板にねじ孔を加工する必要があり、電池容器の製造コストが高くなるのみならず、封止ねじのねじ止め工程が必要であり、二次電池を効率的に製造することができない。

特許文献１には、蓋板である封口板に形成された注液孔にブラインドリベットにより封止するようにした密閉電池が記載されている。封口板の外面とブラインドリベットの皿部との間には樹脂ワッシャーが挟み込まれており、注液孔は樹脂ワッシャーによりシールされる。

特許第５４３７００７号公報

特許文献１に記載されるように、ブラインドリベットつまりリベットを用いて注液孔を封止すると、封口板にはねじ孔を加工する必要がなく、ブランク材から封口板をプレス加工するときに注液孔を加工することができるので、製造コストを低減することができるとともに、封止ねじのねじ止め工程が不要となる。

しかしながら、封口板の外面とリベットの鍔部との間に挟み込まれる樹脂ワッシャーにより注液孔をシールする形態では、注液孔とブラインドリベットとの間に入り込んだ電解液がワッシャーの表面から漏出する可能性がある。したがって、例えば、リチウムイオン電池のように、電池容器の内部にガスが発生する場合には、電解液とガスを確実にシールする必要があり、注液孔からの液体等の漏出を確実に防止する必要がある。

このため、液体を収容するための容器等を形成する板材に貫通孔が形成され、貫通孔から液体を注入した後に、貫通孔を封止部材により封止するようにした種々の容器等においては、リベットを用いた簡単な構造によって、確実に貫通孔を封止できるようにすることが望まれている。

本発明の目的は、板材に設けられた貫通孔のシール性を向上することにある。

本発明の封止栓は、板材に形成された貫通孔を封止する封止栓であって、前記貫通孔に挿入される中空軸芯、前記中空軸芯の基端部に設けられ前記板材の外面に対向する皿部、および前記中空軸芯の先端部側に設けられ前記板材の内面に突出する突部を備えたリベットと、前記突部から前記皿部にまで延在して前記リベットを覆い、前記貫通孔をシールするシール部材と、を有する。

本発明の二次電池は、貫通孔が形成された蓋板および側板を備え、正極板および負極板を有する電極群と、前記貫通孔から注入される電解液とを収容する電池容器と、上記封止栓と、を有する。

本発明の二次電池の製造方法は、貫通孔が形成された蓋板および側板を備える電池容器内に、正極板および負極板を有する電極群を収容し、前記貫通孔から電解液を注入する注入工程と、軸部、および当該軸部の先端に設けられ前記軸部よりも大径の頭部を備えたマンドレルと、基端部に皿部が設けられ前記マンドレルの先端部に装着される中空軸芯を備えたリベットと、前記皿部よりも先端部側に延在して前記リベットを覆うシール部材とを備えた封止栓を前記貫通孔に挿入する挿入工程と、前記皿部を前記蓋板に向けて押圧した状態のもとで、前記マンドレルを引き抜いて前記頭部により前記中空軸芯の先端部に前記蓋板の内面に突出する突部を形成する引き抜き工程と、を有する。

リベットは板材に形成された貫通孔に挿入される中空軸芯と、板材の外面に対向する皿部と、板材の内面に突出する突部とを備え、突部から皿部にまで延在するシール部材がリベットに覆われており、貫通孔はその内部のシール部材によりシールされるとともに、突部の外側のシール部材によりシールされ、貫通孔を確実に封止することができる。

封止栓を電池容器の蓋板に形成された貫通孔の封止に使用すると、電池容器の内部に収容された電解液が外部に漏出することを防止できる。封止栓による気密性ないし液密性が高められるので、二次電池のように電池容器の内部の温度上昇に起因して発生するガスの圧力が高められても、ガスや電解液が電池容器の外部に漏出することが防止される。

封止栓は、マンドレルに装着されるリベットとリベットの外側に装着されるシール部材とを有しており、マンドレルの引き抜き操作により、封止栓を容易に電池容器に取り付けることができる。電池容器の蓋板には、封止栓を取り付けるためのねじ孔を設けることが不要となるので、蓋板をプレス加工するときに、貫通孔を蓋板にプレス加工することができるとともに、封止栓のねじ止め作業が不要となるので、二次電池の製造を効率的に行うことができる。

封止栓が設けられた二次電池を示す一部省略正面図である。 （Ａ）は図１の左側面図であり、（Ｂ）は図１の右側面図である。 図１の左端部を示す斜視図である。 二次電池の一端部を示す拡大断面図である。 蓋板の貫通孔に取り付けられた封止栓を示す断面図である。 蓋板の貫通孔に取り付けられる前の封止栓を示す断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は二次電池を製造するための貫通孔の封止工程を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に示される二次電池１０は電池容器１１を有しており、電池容器１１は円筒形状の側板１２と側板１２の両端部に取り付けられる蓋板１３、１４とにより形成される。電池容器１１の内側には収容室が形成され、板材からなる電池容器１１により内側の収容室と外側とが仕切られている。図１〜図３に示される二次電池１０は、円筒型のリチウムイオン二次電池であり、図４に示されるように、電池容器１１の内部には軸芯１５が配置され、軸芯１５と側板１２との間のスペースには、電極群１６が収容される。電極群１６は、正極板と負極板とこれらの間に配置され正極板および負極板の短絡を防止するセパレータとを円柱形状に捲回して形成される。

軸芯１５の両端部には、電極端子１７，１８が取り付けられており、一方の電極端子１７は図２（Ａ）に示されるように一方の蓋板１３から突出し、他方の電極端子１８は図２（Ｂ）に示されるように他方の蓋板１４から突出している。２つの電極端子１７，１８の一方は正極端子であり、他方は負極端子である。電極端子１７の内方端部は軸芯１５の中空部内に嵌合され、図４に示されるように、電極群１６の端面に突き当てられる集電部１９が電極端子１７に設けられている。他方の電極端子１８も電極端子１７と同様の構造である。

それぞれの蓋板１３、１４には、図２に示されるように、安全弁としての開裂弁２０が設けられている。開裂弁２０は、電池容器１１の内部の温度が過度に高められて、容器内に発生したガスが所定の圧力以上となった場合にガスを外部に排出する。

電極端子１７、１８を蓋板１３，１４に締結するために、電極端子１７、１８の突出端部にはナット２１がねじ結合され、セラミック等の絶縁体からなるワッシャー２２がナット２１と蓋板１３、１４の間に締結される。蓋板１３、１４と集電部１９との間には、シール部材２３が装着される。電極端子１７、１８には、ねじ孔２４が端面に開口して形成されており、ねじ孔２４にねじ結合される図示しないボルトにより、電極端子１７、１８にはバスバー等の通電部材が取り付けられる。

電池容器１１には電解液が注入される。電解液としては、有機溶媒にリチウム塩が溶解された非水電解液が使用される。電解液を電池容器１１の内部に注入するために、一方の蓋板１３には、注液孔つまり貫通孔２５が設けられており、電池容器１１の内部に組み込まれる電極群１６等の部材が組み込まれた状態のもとで、貫通孔２５から電解液が電池容器１１の内部に注入される。電解液を注入した後には貫通孔２５は、封止栓２６により封止される。図４は電池容器１１の内部に電解液が注入された後に、封止栓２６により貫通孔２５が封止された状態を示す。電解液が注入されると、電極群１６は電解液が浸潤された状態になる。なお、電解液は図示省略されている。

図５は、板材である蓋板１３の貫通孔２５に取り付けられた封止栓２６を示す断面図である。封止栓２６はアルミニウム合金からなるブラインド型のリベット２７と、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）からなる絶縁物であるシール部材２８とを備え、リベット２７は、貫通孔２５内に装着される中空軸芯３１を有している。中空軸芯３１の基端部には径方向外方に突出するフランジつまり皿部３２が設けられ、皿部３２は蓋板１３の外面に対向する。中空軸芯３１の先端部は蓋板１３よりも電池容器１１の内部に突出しており、中空軸芯３１の先端部には頭壁部３３が設けられている。

この明細書においては、皿部３２が設けられた端部をリベット２７の基端部とし、頭壁部３３が設けられた端部をリベット２７の先端部とする。リベット２７には段付き孔３４が形成されており、段付き孔３４は先端部側の大径孔３４ａとこれよりも小径の基端部側の小径孔３４ｂとからなり、小径孔３４ｂはリベット２７の基端面に開口している。このように、段付き孔３４は頭壁部３３により閉じられた底付きの孔であり、リベット２７はブラインド型である。

中空軸芯３１の先端部側であって蓋板１３の内面よりも電池容器１１の内部側には、蓋板１３の内面に向けて径方向外方に突出する突部３５が設けられている。リベット２７としては、アルミニウム合金のみならず、塑性変形する金属材料であれば、鋼（ＳＵＳ）等を使用することもできる。

シール部材２８は、中空軸芯３１を覆う円筒部４１と、円筒部４１の基端部に設けられて径方向外方に突出するフランジ形状の外側シール部４２と、円筒部４１の先端部に設けられた頭壁部４３とを有している。外側シール部４２は、皿部３２と蓋板１３との間に配置されて貫通孔２５の外側縁部に密着する。外側縁部は、貫通孔２５の外面側の開口部よりも径方向外方の蓋板１３の部分であって、皿部３２に対向する部分である。シール部材２８のうち、リベット２７の突部３５の外側に配置されて突部３５を覆う部分は内側シール部４４であり、内側シール部４４は、貫通孔２５のうち内側縁部に密着する。

シール部材２８としては、ＥＰＤＭのみならず、電解液に対する耐性を備えた材料であれば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂を用いることができる。

図６は、貫通孔２５に取り付けられる前の封止栓２６を示す断面図であり、封止栓２６はマンドレル４５に装着される。マンドレル４５は、軸部４６と軸部４６の先端に設けられた頭部４７とを有し、頭部４７は軸部４６よりも大径である。軸部４６には、軸部４６よりも外径が小さい括れ部４８が設けられている。マンドレル４５の頭部４７により、リベット２７に突部３５が形成され、突部３５により内側シール部４４が形成される。マンドレル４５は、アルミニウム合金により形成されているが、アルミニウム合金のみならず、金属材料であれば良く、鋼（ＳＵＳ）を使用することもできる。

図６に示されるように、リベット２７はマンドレル４５に装着されており、リベット２７の中空軸芯３１の外側はシール部材２８により覆われている。リベット２７はマンドレル４５を成形金型に配置した状態でリベット素材を成形金型に注入することにより、インサート成形される。リベット２７が組み付けられたマンドレル４５の頭部４７は大径孔３４ａに嵌合され、頭部４７と軸部４６との間の径方向の境界面４９は、大径孔３４ａと小径孔３４ｂの間の段差面に突き当てられる。リベット２７の外側にシール部材２８が装着される。

リベット２７とシール部材２８とを備えた封止栓２６は、マンドレル４５により貫通孔２５に挿入され、シール部材２８のフランジ形状の外側シール部４２が蓋板１３に突き当てられる。皿部３２を蓋板１３に向けて押圧し、マンドレル４５を引き抜くと、境界面４９によりリベット２７の中空軸芯３１が軸方向に圧縮力を受けて径方向外方に塑性変形して中空軸芯３１の先端部側に突部３５が形成され、突部３５によりシール部材２８には内側シール部４４が形成される。マンドレル４５をさらに引き抜くと、括れ部４８によりマンドレル４５は分離されて、頭部４７と、軸部４６のうち括れ部４８よりも頭部４７側の部分とが段付き孔３４の内部に嵌合した状態で残留する。これにより、突部３５内に塑性加工時に発生した残留応力が突部３５により維持され、突部３５が径方向内方に弾性変形することが防止される。

シール部材２８は、リベット２７の皿部３２からリベット２７の先端部に延在し、中空軸芯３１を覆う円筒部４１を有しているので、円筒部４１は貫通孔２５に密着して貫通孔２５をシールする。円筒部４１はマンドレル４５の頭部４７が軸方向にずれるときに、径方向外方にも塑性変形するので、円筒部４１は径方向外方に弾性変形して貫通孔２５に密着する。

また、シール部材２８は、フランジ形状の外側シール部４２を有しており、外側シール部４２は、皿部３２と蓋板１３との間で挟み付けられて貫通孔２５の外側縁部に密着する。これにより、円筒部４１による貫通孔２５のシールに加えて、貫通孔２５の外側縁部をもシールされる。さらに、シール部材２８は、凸形状の内側シール部４４を有しており、内側シール部４４は突部３５により貫通孔２５の内側縁部に密着する。これにより、蓋板１３の内面においてもシールされる。

このように、シール部材２８の形態としては、貫通孔２５に密着する円筒部４１を有する形態であれば、電池容器１１を密封構造とすることが可能である。これに加えて、外側シール部４２と内側シール部４４とを有する形態とすることにより、電池容器１１の密封性をより高めることができる。

図示するように、リベット２７とその先端面を覆う頭壁部４３が設けられたシール部材２８とを有する封止栓２６を、電池容器１１の蓋板１３に取り付けると、封止栓２６に集電部１９が万一接触しても、絶縁物であるシール部材２８により金属製のリベット２７が覆われているので、集電部１９とリベット２７とが電気的に接続することが防止される。

次に、図１〜図３に示した二次電池１０の製造方法における封止栓２６の取り付け工程について図７を参照しつつ説明する。

図７（Ａ）は、電池容器１１の内部に電極群１６等が組み込まれた状態を示す。矢印Ａで示されるように、貫通孔２５から電解液が電池容器１１の内部に注入される。

封止栓２６は、図６に示されるように、マンドレル４５に装着される。リベット２７とシール部材２８とを備えた封止栓２６は、図７（Ｂ）に示されるように、電解液が電池容器１１に注入された後に、貫通孔２５に挿入される。封止栓２６を貫通孔２５に挿入すると、シール部材２８の外側シール部４２が蓋板１３に突き当てられる。このときには、中空軸芯３１と円筒部４１の先端部は、蓋板１３よりも電池容器１１の内部に入り込む。

図示しない治具により皿部３２を蓋板１３に押圧した状態のもとで、マンドレル４５は封止栓２６から引き抜かれる。マンドレル４５を引き抜くと、頭部４７が図７において上方に移動し、境界面４９がリベット２７の大径孔３４ａと小径孔３４ｂとの間の段差面を押し付ける。これにより、図７（Ｃ）に示されるように、境界面４９により大径孔３４ａと小径孔３４ｂとの間の段差面がリベット２７の基端部側にずれ移動し、リベット２７の中空軸芯３１の先端部側は径方向外方に塑性変形して、中空軸芯３１には突部３５が形成され、突部３５によりシール部材２８には内側シール部４４が形成される。このように、リベット２７を貫通孔２５に締結するための突部３５を利用することにより、突部３５により内側シール部４４は貫通孔２５の内側縁部に密着される。

皿部３２は治具により蓋板１３に向けて押圧されているので、外側シール部４２は皿部３２と蓋板１３との間で締め付けられ、外側シール部４２は蓋板１３に密着する。

リベット２７に突部３５が形成された状態のもとで、マンドレル４５をさらに引き抜くことにより、括れ部４８の部分でマンドレル４５が破断される。これにより、マンドレル４５はリベット２７の内部に残留する先端側の部分と、リベット２７から取り除かれる基端側の部分とに分離される。マンドレル４５の頭部４７がリベット２７の先端側の部分に残留することにより、突部３５および内側シール部４４が径方向に収縮する方向に弾性変形することが防止される。図５は、リベット２７の基端側の部分が取り除かれて、封止工程が終了した状態を示す。

このように、図７（Ａ）に示される注入工程の後に、図７（Ｂ）に示される挿入工程と、図７（Ｃ）に示される引き抜き工程を行うことにより、二次電池１０の組立製造が完了する。

図１〜図３に示される二次電池１０を単電池つまり電池セルとして、複数の電池セルを、電極端子１７、１８を介して直列または並列に組み合わせることにより、高電力のモジュール電池が組み立てられる。このようなモジュール電池は、ハイブリッド自動車や電気自動車の電力供給源として使用することができる。

上述した実施の形態は、封止栓２６を電池容器１１の注液用の貫通孔に取り付ける場合を示すが、液体を収容する容器の板材に設けられた貫通孔を封止するためであれば、二次電池に限られることなく、種々の容器や液体を案内する管部材についても、上述した封止栓を適用することができる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、二次電池としては、円筒型に限られることなく、角型でも良く、円筒型の場合には、１つの蓋板に正極と負極の端子が設けられる形態でも良い。

１０…二次電池、１１…電池容器、１２…側板、１３、１４…蓋板、１５…軸芯、１６…電極群、１７、１８…電極端子、１９…集電部、２０…開裂弁、２１…ナット、２２…ワッシャー、２３…シール部材、２４…ねじ孔、２５…貫通孔、２６…封止栓、２７…リベット、２８…シール部材、３１…中空軸芯、３２…皿部、３３…頭壁部、３４…段付き孔、３４ａ…大径孔、３４ｂ…小径孔、３５…突部、４１…円筒部、４２…外側シール部、４３…頭壁部、４４…内側シール部、４５…マンドレル、４６…軸部、４７…頭部、４８…括れ部、４９…境界面。

Claims (6)

1. 板材に形成された貫通孔を封止する封止栓であって、
   前記貫通孔に挿入される中空軸芯、前記中空軸芯の基端部に設けられ前記板材の外面に対向する皿部、および前記中空軸芯の先端部側に設けられ前記板材の内面に突出する突部を備えたリベットと、
   前記突部から前記皿部にまで延在して前記リベットを覆い、前記貫通孔をシールするシール部材と、
   を有する封止栓。
2. 請求項１記載の封止栓において、前記シール部材は前記皿部と前記板材との間に配置されて前記貫通孔の外側縁部に密着する外側シール部、および前記突部の外側に配置されて前記貫通孔の内側縁部に密着する内側シール部を有する封止栓。
3. 請求項１または２記載の封止栓において、前記シール部材は前記リベットの先端部を覆う頭壁部を有する封止栓。
4. 貫通孔が形成された蓋板および側板を備え、正極板および負極板を有する電極群と前記貫通孔から注入される電解液とを収容する電池容器と、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の封止栓と、
   を有する二次電池。
5. 貫通孔が形成された蓋板および側板を備える電池容器内に、正極板および負極板を有する電極群を収容し、前記貫通孔から電解液を注入する注入工程と、
   軸部、および当該軸部の先端に設けられ前記軸部よりも大径の頭部を備えたマンドレルと、基端部に皿部が設けられ前記マンドレルの先端部に装着される中空軸芯を備えたリベットと、前記皿部よりも先端部側に延在して前記リベットを覆うシール部材とを備えた封止栓を前記貫通孔に挿入する挿入工程と、
   前記皿部を前記蓋板に向けて押圧した状態のもとで、前記マンドレルを引き抜いて前記頭部により前記中空軸芯の先端部に前記蓋板の内面に突出する突部を形成する引き抜き工程と、
   を有する二次電池の製造方法。
6. 請求項５記載の二次電池の製造方法において、前記シール部材は前記皿部と前記蓋板との間に配置されて前記貫通孔の外側縁部に密着する外側シール部を有し、引き抜き工程において形成される突部により前記貫通孔の内側縁部に内側シール部が密着される二次電池の製造方法。

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