JP2019009049A - 電池セル - Google Patents

Abstract

【課題】電池セルのセルケース内部の減圧が十分であるか否かを容易に確認することができる電池セルを提供する。【解決手段】セルケース１１と、セルケース１１に設けられ、外部から視認可能な基準面１６１と、セルケース１１内部をガス抜きした際に基準面１６１からセルケース１１の内側に向けて移動する、外部から視認可能な移動部材１６２と、を備える。【選択図】図９

Description

本発明は、出荷検査が簡便な電池セルに関する。

リチウムイオン電池に使われる活物質は、充電後は空気中の水蒸気や酸素と反応して劣化する。従って、一般的なリチウムイオン電池は完全密閉されている。しかし、電池を使用していると、活物質から少しずつガスが出てくるため、電池の内圧は少しずつ上昇し、それに伴って、電池の外形も膨らむ。かかる事態を避けるため、一般的に、電池製造時に電池セルのセルケース（外装体）に電解液を入れた後、注液口を溶接して塞ぐ前に、セルケース内部のガスを抜き、ガスが発生しても電池内部が大気圧以上にならないようにしている（例えば特許文献１）。

特開２０１０−０２１１０４号公報

しかしながら、完成した電池セルのセルケース内部の減圧が十分であるか否かを外見から容易に確認する方法がなかった。

従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、電池セルのセルケース内部の減圧が十分であるか否かを容易に確認することができる電池セルを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明の一実施形態に係る電池セルは、
セルケースと、
前記セルケースに設けられ、外部から視認可能な基準面と、
前記セルケース内部をガス抜きした際に前記基準面から前記セルケースの内側に向けて移動する、外部から視認可能な移動部材と、
を備える。

本発明の一実施形態に係る電池セルによれば、セルケース内部の減圧が十分であるか否かを容易に確認することができる。

本発明の一実施形態に係る電池セルの斜視図である。 図１のＡ−Ａ矢線に沿った電池セルの断面図である。 図１のＢ−Ｂ矢線に沿った電池セルの断面図である。 図１のＣ−Ｃ矢線に沿った電池セルの断面図である。 図１のＤ−Ｄ矢線に沿った電池セルの断面図である。 図１のＥ−Ｅ矢線に沿った電池セルの断面図である。 図１のＦ−Ｆ矢線に沿った電池セルの断面図である。 電池セルの内圧の時間変化のグラフである。 感知機構の概略図である。 感知機構の変形例の概略図である。 保持具を備える電池セルの概略図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

（実施の形態）
図１に、本発明の一実施形態に係る電池セル１０の斜視図を示す。電池セル１０は、セルケース１１が扁平な直方体形状の角型電池である。セルケース１１は、互いに対向する１組の扁平面ＦＳ、互いに対向する側面ＳＳ、互いに対向するキャップ面ＣＳ及び底面ＢＳを有する。キャップ面ＣＳには、キャップ面ＣＳにおける長手方向の所定の位置に、正極端子１２、負極端子１３、安全弁１４、注液口１５及び感知機構１６が設けられている。

正極端子１２及び負極端子１３は、キャップ面ＣＳの長手方向の両端付近に設けられる。正極端子１２及び負極端子１３は、電池セル１０から電力を出力する電極である。正極端子１２及び負極端子１３を特に区別しない限り、電極端子１２、１３とも呼ぶ。

安全弁１４は、電極端子１２、１３との間に設けられる。安全弁１４は、セルケース１１内部で発生するガスによって、セルケース１１内部の圧力（以下、電池セル１０の内圧ともいう。）が所定圧力以上になった場合にガスを外部に排出するために開く。セルケース１１内部の圧力は、電池セル１０が経年劣化した場合又は熱暴走した場合等に、所定圧力以上になりうる。所定圧力は、電池セル１０の仕様に応じて、適宜定められうる。

注液口１５は、電極端子１２、１３との間に設けられる。注液口１５は、セルケース１１内に電解液を注入するための開口である。注液口１５から電解液を注入し、充填が終了した後、注液口１５からセルケース１１内部のガスを抜く（以下、真空に引く、ともいい、当該工程をガス抜き工程という。）。セルケース１１内部を真空に引いた後、注液口１５をアルミ板の蓋により覆い、当該アルミ板の蓋を注液口１５に溶接し、セルケース１１が封止される。

感知機構１６は概略として、セルケース１１内部の圧力状態を感知するための機構である。感知機構１６は外部から視認可能である。感知機構１６の詳細については後述する。

図２から図７に、それぞれ図１のＡ−Ａ矢線、Ｂ−Ｂ矢線、Ｃ−Ｃ矢線、Ｄ−Ｄ矢線、Ｅ−Ｅ矢線、及びＦ−Ｆ矢線に沿った電池セル１０の断面図を示す。電池セル１０は、セルケース１１、電極体２０、正極接続体２１、負極接続体２２、正極集電体２３、負極集電体２４、正極端子１２、負極端子１３、及び安全弁１４を含んで構成される。電極体２０、正極接続体２１、負極接続体２２、正極集電体２３、及び負極集電体２４は、セルケース１１に収容されている。

電極体２０は、セパレータを挟んで、正極板及び負極板を重ねることにより構成されている。電極体２０は、例えば、正極板及び負極板がセパレータを介して積層巻回されたコイル型の電極体、又は正極板及び負極板がセパレータを介して交互に積層された積層型の電極体である。図５から図７に示すように、本実施の形態では電極体２０は、コイル型の電極体である。電極体２０は、セルケース１１内の、長手方向における中央に配置されている。正極接続体２１及び正極集電体２３は、電極体２０よりも、長手方向の一方の端側に配置されている。負極接続体２２及び負極集電体２４は、電極体２０よりも長手方向の他方の端側に配置されている。

正極接続体２１は、電極体２０を構成する正極板を、正極集電体２３に電気的に接続している。正極接続体２１は、例えば、電極体２０から正極集電体２３に向かって延びる正極板である。正極接続体２１と正極集電体２３とは、溶接部位２１１において溶接されている。

負極接続体２２は、電極体２０を構成する負極板を、負極集電体２４に電気的に接続している。負極接続体２２は、例えば、電極体２０から負極集電体２４に向かって延びる負極板である。負極接続体２２と負極集電体２４とは、溶接部位２２１において溶接されている。以下の説明において、正極接続体２１及び負極接続体２２を特に区別しない限り、接続体２１、２２とも呼ぶ。

正極集電体２３は、電極体２０内で多層化されている正極板それぞれと接続されている全ての正極接続体２１を、正極端子１２に電気的に接続している。図５に示すように、正極集電体２３はＤ−Ｄ断面において略コ字状であり、正極接続体２１を挟持する。また図２及び図６に示すように、正極集電体２３と正極端子１２とは、溶接部位２３１において溶接されている。このように、電極体２０の正極板は、正極接続体２１及び正極集電体２３を介して、正極端子１２に電気的に接続されている。

負極集電体２４は、電極体２０内で多層化されている負極板それぞれと接続されている全ての負極接続体２２を、負極端子１３に電気的に接続している。負極集電体２４も正極集電体２３と同様、断面形状が略コ字状であり、負極接続体２２を挟持する。負極集電体２４と負極端子１３とは、溶接部位２４１において溶接されている。このように、電極体２０の負極板は、負極接続体２２及び負極集電体２４を介して、負極端子１３に電気的に接続されている。なお、以下の説明において、正極集電体２３及び負極集電体２４を特に区別しない限り、集電体２３、２４とも呼ぶ。

上述のように、電池製造時、電池セル１０のセルケース１１に電解液を入れた後、注液口１５を溶接して塞ぐ前に、セルケース１１内部を真空に引き、負圧にする。図８に、電池セル１０の内圧の時間変化の概念図を示す。図８は３つの場合における、電池製造後の電池セル１０の内圧と時間の関係をそれぞれＬ１からＬ３により示している。Ｌ１は、セルケース１１内部の減圧が十分である場合における、電池セル１０の内圧の時間変化を示す。Ｌ２は、セルケース１１内部の減圧が不十分である場合における、電池セル１０の内圧の時間変化を示す。この場合、Ｌ１と比較して、電池セル１０の内圧が早期に高くなり、電池セル１０が膨らむ。内圧が所定以上になった場合、安全弁１４が開き、電池セル１０が使えなくなる等、電池セル１０の経年劣化が早くなる。Ｌ３は、セルケース１１が密封されておらず、リーク穴がある場合における、電池セル１０の内圧の時間変化を示す。この場合は電池セル１０の内圧が急激に上昇する。大気圧と等しくなった後はリーク穴の影響で、内圧は上昇せず、電池セル１０も膨らまない。ただしリーク穴から水蒸気が侵入するため、電池セル１０の劣化が極めて早い。

このように、セルケース１１内部の減圧が十分であるか否かは、電池セル１０の寿命に影響するため、電池セル１０の内圧の状態を感知できることが重要である。そこで本実施の形態に係る電池セル１０は、上述の感知機構１６を備えている。

図９に、感知機構１６の概略図を示す。感知機構１６は、基準面１６１と、移動部材１６２とを含んで構成される。基準面１６１はセルケース１１内部のガス抜き工程前後で位置が変化しない、基準となる面である。一方で移動部材１６２は、セルケース１１内部のガス抜き工程前後で、移動部材１６２の少なくとも一部が基準面１６１からセルケース１１の内側に向けて移動する部材である。

図９に示す例では、感知機構１６を、セルケース１１のキャップ面ＣＳと箔１６２とを含んで構成している。箔１６２は、上面視において例えば略円形状である。また箔１６２は、セルケース１１より薄い。またセルケース１１には、箔１６２を外部から視認可能なように、箔１６２に対向する位置に確認穴１６３が設けられている。箔１６２は、その周縁部がセルケース１１におけるキャップ面ＣＳの内壁に溶接されている。図９（ａ）における領域Ｒ１及び領域Ｒ２は、キャップ面ＣＳの内壁と箔１６２とが溶接されている部位を示す。このように箔１６２の周縁部を溶接して封止し、セルケース１１内部の密閉性を保っている。一方で領域Ｒ３は、キャップ面ＣＳの内壁に溶接されていない。ここで、箔１６２のうちセルケース１１に溶接されていない部分のサイズは、確認穴１６３のサイズよりも大きい。図９に示す感知機構１６は、基準面１６１が、セルケース１１のキャップ面ＣＳであり、移動部材１６２は箔である。

以下、図９により、移動部材１６２の移動態様について説明する。図９（ａ）は、電池セル１０内部のガス抜き工程前の状態を示す。ガス抜き工程前は、電池セル１０内部の内圧は大気圧と等しい。このときの基準面１６１（キャップ面ＣＳ）と箔１６２との距離を距離Ｄ_１とする。なお基準面１６１と箔１６２との距離とは、基準面１６１から、箔１６２のうち最も基準面から離れた部位までの距離をいう。なお距離Ｄ_１は、箔１６２をセルケース１１に溶接する際に適宜設定する。

図９（ｂ）は、セルケース１１内部のガス抜き工程後に、内部が十分に減圧された状態を示す。この状態において電池セル１０の内圧は、大気圧よりも十分に低い状態である。このとき箔１６２は、セルケース１１の内側に向けて移動しており、基準面１６１（キャップ面ＣＳ）と箔１６２との距離は、距離Ｄ_１よりも長い距離Ｄ_２になる。言い換えると、箔１６２は、セルケース１１内部をガス抜きした際に、セルケース１１の内側方向に向けて、より凸形状となるように変形する。なお、箔１６２の移動量は、セルケース１１内部の圧力の大きさに依存する。例えば圧力が−１気圧（完全真空）である場合の方が、−０．５気圧の場合よりも箔１６２が基準面１６１からの距離が大きくなる。このように箔１６２の移動量を確認することで、より一層正確にセルケース１１内部の減圧が十分であるか否かを把握することができる。なおセルケース１１内部が負圧か否かを確認するだけであれば、移動量の確認は必要ではなく、箔１６２の形状変化の確認のみで足りる。すなわち箔１６２が撓んだ初期状態から、セルケース１１の内周側に凸形状となることを確認するのみで足りる。

このように、本実施の形態に係る電池セル１０によれば、感知機構１６を設けており、セルケース１１内部をガス抜きした際に移動部材１６２の少なくとも一部が基準面１６１からセルケース１１の内側に向けて移動する。そのため、移動部材１６２を確認することで、電池セル１０のセルケース１１内部の減圧が十分であるか否かを容易に確認することができる。そのため、電池セル１０を複数組み合わせた組電池を製造する直前に、手軽に電池セル１０の内圧の状態を確認可能であり、組電池の品質向上を図ることができる。

なお、基準面１６１から箔１６２がセルケース１１の内側に向けて移動しているか否かは、確認穴１６３から視認することにより容易に把握することができる。上述のように、箔１６２のうちセルケース１１に溶接されていない部分のサイズを、確認穴１６３のサイズよりも大きくしている。このため、箔１６２の移動量が十分に確保され、基準面１６１から箔１６２がセルケース１１の内側に向けて移動しているか否かを、より容易に把握することができる。

なお、確認穴１６３のサイズは、箔１６２の移動を確認するための必要最小限のサイズとする。これにより、箔１６２に、確認穴１６３からの外部の衝撃が加わらないようにすることができる。また確認穴１６３のサイズを必要最小限とすることで、電池セル１０の内圧が上昇し、安全弁１４が開く所定圧力となった場合においても、箔１６２がセルケース１１の外側に突出することを防止できる。すなわち電池セル１０の内圧が所定圧力になった場合において、箔１６２が突出することなく、安全弁１４が先に開弁し、セルケース１１内部のガスを外部に排出することができる。

なお、確認穴１６３の代わりに、確認窓を設けてもよい。この場合、例えば透明な確認窓を確認穴１６３の位置に設ける。なお確認窓と箔１６２との間の空間は大気圧と等しくなる必要がある。そのため確認窓を設ける場合には確認窓と箔１６２との間を連通する通気孔等を設け、確認窓と箔１６２間を密閉しないようにする。

（変形例）
上記実施の形態では、基準面１６１を、セルケース１１のキャップ面ＣＳとし、移動部材１６２を箔として感知機構１６を構成したがこれに限られない。以下、図１０により変形例に係る感知機構１６ｂについて説明する。図１０に示す例では、基準面１６１ｂを、放熱フィンとしている。また移動部材１６２ｂを、セルケース１１ｂの扁平面ＦＳとしている。放熱フィン１６１ｂは、セルケース１１ｂの扁平面ＦＳに接触又は近接して設けられる。ここでは放熱フィン１６１ｂは、扁平面ＦＳに接触している例について説明する。放熱フィン１６１ｂは、熱伝導性が所定以上の部材であり、例えば金属製である。放熱フィン１６１ｂにより、電池セル１０の熱を外部に放熱する。

ここで図１０に示すように、変形例に係るセルケース１１ｂは、セルケース１１よりも幅方向の長さが長い。すなわちセルケース１１ｂの内寸は、内部に収容される電極体２０の厚さよりも大きい。ここでセルケース１１ｂは、内部の圧力を減圧することにより変形する。変形例に係る感知機構１６ｂは、当該セルケース１１ｂの変形を利用して内圧の状態を感知する。以下図１０により、移動部材１６２ｂの移動態様について説明する。

図１０（ａ）は、セルケース１１ｂ内部のガス抜き工程前の状態を示す。ガス抜き工程前は、セルケース１１ｂ内部の内圧は大気圧と等しい。このときの基準面１６１ｂ（放熱フィン１６１ｂ）と扁平面ＦＳとは接触しており、基準面１６１ｂと扁平面ＦＳとの距離は０である。図１０（ｂ）は、セルケース１１ｂ内部のガス抜き工程後に、内部が十分に減圧された状態を示す。この状態において電池セル１０の内圧は、大気圧よりも十分に低い状態である。このとき扁平面ＦＳの略中央部は、セルケース１１ｂの内側に向けて移動する。放熱フィン１６１ｂを基準に扁平面ＦＳの略中央部が内側に向けて移動したことを視認できるため、当該移動により内圧の変化を容易に把握することができる。そのため、電池セル１０を複数組み合わせた組電池を製造する直前に、手軽に電池セル１０の内圧の状態を確認可能であり、組電池の品質向上を図ることができる。

また上述のように、セルケース１１ｂの内寸は、内部に収容される電極体２０の厚さよりも十分に大きくしている。このため、扁平面ＦＳの移動量が確保され、基準面１６１ｂ（放熱フィン１６１ｂ）から扁平面ＦＳがセルケース１１ｂの内側に向けて移動しているか否かを、容易に把握することができる。なお、扁平面ＦＳの移動量は、セルケース１１ｂ内部の圧力の大きさに依存する。例えば圧力が−１気圧（完全真空）である場合の方が、−０．５気圧の場合よりも扁平面ＦＳの基準面１６１からの距離が大きくなる。これにより、セルケース１１ｂ内部の減圧が十分であるか否かをより一層正確に把握することができる。なおセルケース１１ｂ内部が負圧か否かを確認するだけであれば、移動量の確認は必要ではなく、扁平面ＦＳが変形したか否かの確認のみで足りる。すなわち扁平面ＦＳが初期状態から、セルケース１１ｂの内周側に移動したことを確認するのみで足りる。

また変形例に係る電池セル１０によれば、基準面として放熱フィン１６１ｂを利用しているため、電池セル１０の内圧の状態を感知することに加えて、電池セル１０の熱を外部に放出することができる。なお放熱フィン１６１ｂの位置は、図１１に示す位置に限られず、扁平面ＦＳと対向する位置であれば任意の位置に配置してよい。

なお、変形例に係る感知機構１６ｂを用いる場合、セルケース１１ｂの内寸が電極体２０の厚さよりも十分に大きいため、電極体２０がセルケース１１ｂ内部でぐらつく可能性、転がる可能性等がある。そこで電極体２０のぐらつき、転がり等を防止する保持具３０を設けてもよい。図１１に、保持具３０を備える例を示す。保持具３０は、電極体２０と当接する位置である上面が、電極体２０の形状に対応した形状となっている。保持具３０は、例えば電極体２０のうちセルケース１１ｂの底面の位置に設けられる。当該位置に設けることで、ガス抜き工程後における扁平面ＦＳの変形を阻害せずに、電極体２０を保持することができる。

本発明に係る一実施形態について、諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本発明に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段等を１つに組み合わせたり、あるいは分割したりすることが可能である。

１０ 電池セル
１１ セルケース
１２ 正極端子
１３ 負極端子
１４ 安全弁
１５ 注液口
１６、１６ｂ 感知機構
１６１ 基準面
１６１ｂ 基準面（放熱フィン）
１６２ 移動部材（箔）
１６２ｂ 移動部材
１６３ 確認穴
２１１、２２１、２３１、２４１ 溶接部位
２０ 電極体
２１ 正極接続体
２２ 負極接続体
２３ 正極集電体
２４ 負極集電体
３０ 保持具

Claims (5)

1. セルケースと、
   前記セルケースに設けられ、外部から視認可能な基準面と、
   前記セルケース内部をガス抜きした際に前記基準面から前記セルケースの内側に向けて移動する、外部から視認可能な移動部材と、
   を備える電池セル。
2. 前記基準面は前記セルケースのキャップ面であり、前記移動部材は前記セルケースよりも薄い箔である、請求項１に記載の電池セル。
3. 前記セルケースの前記箔に対向する位置に、確認穴又は確認窓を備える、請求項２に記載の電池セル。
4. 前記箔は一部が前記セルケースに溶接されており、前記箔のうち前記セルケースに溶接されていない部分のサイズは、前記確認穴又は前記確認窓のサイズよりも大きい、請求項３に記載の電池セル。
5. 前記基準面は放熱フィンであり、前記移動部材は前記セルケースの扁平面である、請求項１に記載の電池セル。

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