JP2020087781A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】注液口を封止する際に摩耗粉が発生することを抑制できる蓄電装置を提供すること。【解決手段】二次電池１０の本封止部材２０は、胴部２１のケース１１内に位置する部分が、大径部３１によって軸方向へ押し潰されるとともに内側から拡径されることにより、蓋１４の内壁面１４ａのうち注液口１４ｃの周囲に接触する膨出部２４を備える。また、本封止部材２０は、胴部２１の外周面を覆う弾性被膜２３を備える。弾性被膜２３は、膨出部２４の外周面と蓋１４の内壁面１４ａとの間に介在する部分の膜厚が、胴部２１の周方向全体に亘って注液口１４ｃの内側に位置する部分の膜厚より厚い。【選択図】図４

Description

本発明は、注液口を本封止する本封止部材を備える蓄電装置に関する。

電装品や走行用モータで使用される電力を蓄えるための蓄電装置として、リチウムイオン二次電池などの二次電池が、ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両に搭載されている。このような二次電池の製造方法は、例えば、ケース内に電極組立体を収納し、ケースに設けられた注液口から電解液をケース内に注入して、注液口を仮封止部材によって仮封止する。次に、蓄電装置の活性化、安定化等を図るため、初期充放電を行う。初期充放電では、１回の充電又は複数回の充放電を行うコンディショニング、及び必要に応じて高温状態で所定期間の保管を行うエージングといった処理を行う。次に、注液口の仮封止を解除することで、初期充放電の際に発生したケース内のガスを注液口から放出する。その後、注液口を本封止部材で封止し、二次電池を自己放電させる。これにより、二次電池が完成する。

注液口を封止する本封止部材として、ブラインドリベットを用いたものがある。本封止部材は、注液口の口径よりも大径に形成されたフランジと、注液口の口径よりも小径に形成された胴部と、該胴部の内部に頭部が収容されてフランジから延び出るマンドレルと、を備える。そして、胴部が注液口に挿入された状態で、胴部のうち、ケースの内部に位置する部分が拡径するように塑性変形されることにより膨出部が形成されるとともに、フランジと膨出部との間に蓋とガスケットが挟持され、注液口が封止されている。

また、ブラインドリベット製の本封止部材によって注液口を封止した二次電池においては、注液口を気密及び液密にシールするため、スリーブの外周面に弾性膜を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。弾性膜は、注液口を封止するために胴部を拡径させたときに延伸するとともに、胴部の外周面と注液口の内周面との間に挟持されることで両面に密接し、胴部の外周面と注液口の内周面との間をシールする。

実開昭５９−５８２０８号公報

弾性膜を備える本封止部材によって注液口を封止するには、拡径させた胴部の外周面を弾性膜を介して注液口の内周面に押し当てる必要がある。しかし、弾性膜を注液口の内周面に押し当てるとき、弾性膜が破れてしまい、拡径させた胴部が注液口の内周面に摺接して摩耗粉が発生する虞がある。摩耗粉がケース内に落下し、電極組立体内に混入すると、内部短絡を引き起こす原因となり、好ましくない。

本発明の目的は、注液口を封止する際に摩耗粉が発生することを抑制できる蓄電装置を提供することにある。

上記問題点を解決するための蓄電装置は、金属製のケース内に電極組立体及び電解液が収容され、前記ケースの壁部に前記電解液の注液口を有するとともに、前記注液口を封止する本封止部材を備え、前記本封止部材は、軸方向一端にフランジを備える筒状の胴部を有するとともに、前記胴部の前記ケース内に位置する部分が軸方向へ押し潰され、かつ内側から拡径して形成された膨出部を有し、前記膨出部が前記壁部の内壁面のうち前記注液口の周囲を押圧している蓄電装置であって、前記胴部の外周面を覆う弾性被膜を備え、前記弾性被膜において前記膨出部の外周面と前記壁部の内壁面によって挟持される部分の周方向全体に亘る膜厚が、前記注液口の内側に位置する部分の膜厚より厚いことを要旨とする。

これによれば、胴部が軸方向へ押し潰され、かつ拡径して形成された膨出部の外周面が、弾性被膜における膜厚の厚い部分を介して壁部の内壁面に押し当てられることで、当該膜厚の厚い部分が膨出部の外周面と壁部の内壁面とによって挟持され、注液口が封止される。弾性被膜が膨出部と壁部とに挟持されても、膜厚を厚く確保しているため、弾性被膜が破れることを抑制できる。その結果、弾性被膜が破れることによって膨出部と壁部とが直接摺接してしまうことを抑制し、注液口を封止する際に摩耗粉が発生することを抑制できる。

また、蓄電装置について、前前記膜厚の厚い部分は、前記弾性被膜の全体の中の前記膨出部の外周面と前記壁部の内壁面とによって挟持される一部分に設けられていてもよい。
これによれば、例えば、膜厚の厚い部分が、膨出部の外周面と壁部の内壁面とによって挟持される部分から胴部の軸方向他端側全体を覆うまで設けられている場合と比べると、弾性被膜に要するコストを抑えることができる。

本発明によれば、注液口を封止する際に摩耗粉が発生することを抑制できる。

実施形態の二次電池を示す分解斜視図。 実施形態の二次電池を示す斜視図。 注液口に挿入する前の本封止部材を示す断面図。 注液口を封止した状態を示す断面図。 本封止部材の別例を示す断面図。

以下、蓄電装置を二次電池に具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１及び図２に示すように、二次電池１０は、ケース１１内に電極組立体１２及び電解液（図示せず）を備える。ケース１１は、有底四角筒状の本体部材１３と、本体部材１３に電極組立体１２を挿入するための開口部１３ａを塞ぐ矩形平板状の蓋１４とからなる。本実施形態では、蓋１４がケース１１を構成する壁部に相当する。本体部材１３と蓋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。二次電池１０は角型電池であり、リチウムイオン二次電池である。

電極組立体１２には、正極端子１５と負極端子１６が電気的に接続されている。そして、正極端子１５及び負極端子１６には、ケース１１から絶縁するためのリング状の絶縁部材１７がそれぞれ取り付けられている。また、正極端子１５と負極端子１６は、蓋１４からケース１１外に露出している。

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を備える。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。

二次電池１０は、蓋１４に圧力開放弁１９を備える。圧力開放弁１９は、ケース１１内でガスが発生した際、ケース１１内の圧力が上昇し過ぎないように、ケース１１内の圧力が所定の圧力である開放圧に達した場合に開裂する。これにより、ケース１１の内外が連通された状態になるため、ケース１１内の圧力がケース１１外に開放される。

蓋１４において、ケース１１の内側に臨む面を内壁面１４ａとし、ケース１１の外側に臨む面を外壁面１４ｂとする。圧力開放弁１９は、蓋１４の外壁面１４ｂから凹む形状に設けられている。蓋１４は、その厚み方向に貫通する丸孔状の注液口１４ｃを備える。注液口１４ｃは、本封止部材２０によって封止され、ケース１１内からのガス及び電解液の漏れが防止されている。

注液口１４ｃに挿入される前の本封止部材２０について説明する。
図１及び図３に示すように、本封止部材２０は、軸方向一端に開口するとともに、軸方向他端に底壁２１ａを有する中空円筒状の胴部２１と、胴部２１の内部に収容されるマンドレル３０と、胴部２１の外周面及び底壁２１ａを覆う弾性被膜２３と、を有する。また、本封止部材２０は、胴部２１の外周面に嵌合された円環状のシール部材４０を一体に備える。胴部２１は、軸方向一端の開口縁にフランジ２２を備え、胴部２１はアルミニウム製である。フランジ２２は、シール部材４０に対向するシール部材側端面２２ａを有する。フランジ２２は、シール部材側端面２２ａよりもシール部材４０に向けて突出し、かつ胴部２１を取り囲む環状突部２２ｂを備える。なお、シール部材４０は樹脂製であるがゴム製でもよいし、胴部２１に嵌合されていなくてもよい。

胴部２１の内部には、軸方向他端側（底壁２１ａ側）にマンドレル３０の大径部３１より大径の収容部２１ｂが形成されており、収容部２１ｂに連接してフランジ２２に向けてテーパし、かつ大径部３１より小径の（縮径された）連通部２１ｃが形成されている。胴部２１は、連通部２１ｃよりも軸方向一端側に、内径が連通部２１ｃよりも拡径した挿通部２１ｄを備える。

マンドレル３０は、軸方向一端に大径部３１を有するとともに、軸方向他端側に操作部３２を有する。また、マンドレル３０は、操作部３２と大径部３１の境界に設けられた脆弱部３３を有し、脆弱部３３は操作部３２より小径である。マンドレル３０はステンレス製である。そして、マンドレル３０は、大径部３１が収容部２１ｂに収容されるとともに、脆弱部３３が挿通部２１ｄに収容されている。また、操作部３２も挿通部２１ｄに収容されており、その先端は胴部２１から突出している。なお、マンドレル３０の硬度は、胴部２１の硬度よりも大きい。

弾性被膜２３は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）や、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）によって形成されている。ＰＴＦＥは耐熱性、耐薬品性に優れるとともに、摩擦係数の小さい材質である。また、ＰＦＡは熱安定性を持ち、幅広い温度で機械的強度を有する材質である。本実施形態では、弾性被膜２３は、ＰＴＦＥによって形成されている。なお、図３及び図４は、断面図であるが、弾性被膜２３の図示を良好にするため、ハッチングを省略している。

弾性被膜２３は、その他の部位よりも膜厚の厚い厚肉部２３ａを有するとともに、厚肉部２３ａ以外の部分に、厚肉部２３ａよりも膜厚の薄い薄肉部２３ｂを有する。厚肉部２３ａは、胴部２１の軸方向における一部に設けられるとともに、胴部２１の周方向の全体に亘って設けられている。厚肉部２３ａは、胴部２１の軸方向に幅を有する帯状である。また、厚肉部２３ａは、胴部２１の周方向の全体に亘って一定の厚さである。

本実施形態では、厚肉部２３ａの厚さは、最も厚いところで１５μｍであり、薄肉部２３ｂの厚さは、最も薄いところで５μｍである。胴部２１の径方向に沿った厚肉部２３ａでの弾性被膜２３の寸法（外径）は、注液口１４ｃの孔径よりも小さく、胴部２１を注液口１４ｃに挿入すると、厚肉部２３ａは注液口１４ｃを通過できるようになっている。本実施形態では、厚肉部２３ａが注液口１４ｃを通過できるようにするため、厚肉部２３ａの厚さは、薄肉部２３ｂの厚さの３倍以下に設定されている。厚肉部２３ａの厚さが、薄肉部２３ｂの厚さの３倍を超えると、厚肉部２３ａが注液口１４ｃを通過できなくなり、好ましくない。そして、厚肉部２３ａは、胴部２１の軸方向に沿ってフランジ２２のシール部材側端面２２ａから所定距離だけ離れた位置に配置されている。この所定距離については後述する。

図４に示すように、ケース１１の注液口１４ｃを封止した本封止部材２０は、胴部２１の底壁２１ａ側から注液口１４ｃに挿入され、底壁２１ａがケース１１内に位置するとともに、フランジ２２がケース１１外に位置する状態で蓋１４に締結されている。マンドレル３０の大径部３１は、胴部２１内に圧入されて胴部２１を拡径させ、膨出部２４を形成している。なお、マンドレル３０は、小径とした脆弱部３３から操作部３２と大径部３１とに分断され、操作部３２は胴部２１内から除去されている。

胴部２１が軸方向へ押し潰されつつ拡径されるのに伴い、弾性被膜２３は胴部２１の外周面に沿って軸方向及び周方向へ伸張する。弾性被膜２３の厚肉部２３ａは、膨出部２４の外周面のうち、蓋１４寄りに位置している。膨出部２４により、弾性被膜２３を介して蓋１４における注液口１４ｃの一部が押圧されて塑性変形しつつ、その塑性変形した部分に厚肉部２３ａが押し当てられている。厚肉部２３ａは、膨出部２４の外周面と蓋１４の内壁面１４ａによって挟持されている。その結果、厚肉部２３ａは膨出部２４及び蓋１４の内壁面１４ａそれぞれに密接し、膨出部２４及び厚肉部２３ａによって注液口１４ｃが気密及び液密にシールされている。

上記のように、厚肉部２３ａが、膨出部２４の外周面と蓋１４の内壁面１４ａによって挟持されるように、拡径される前の胴部２１に対する厚肉部２３ａの位置が設定されている。つまり、膨出部２４を形成するために、胴部２１が軸方向に押し潰されつつ拡径したときに、厚肉部２３ａが、膨出部２４の外周面と蓋１４の内壁面１４ａとによって挟持されるように、フランジ２２のシール部材側端面２２ａから所定距離だけ離れた位置に厚肉部２３ａが配置されている。

二次電池１０において、注液口１４ｃの内周面と、当該内周面に対向する胴部２１の外周面との間、及び厚肉部２３ａが挟持された箇所から底壁２１ａまでは、弾性被膜２３の薄肉部２３ｂが位置している。よって、厚肉部２３ａの厚さは、注液口１４ｃ内に位置する部分、すなわち薄肉部２３ｂの厚さより厚い。

次に、二次電池１０の製造工程について説明する。
なお、ケース１１に電極組立体１２を収納するまでの工程については、公知の方法により行うため、その詳細な説明を省略する。ケース１１に電極組立体１２を収納した後に、注液口１４ｃからケース１１内へ電解液を注入する（注液工程）。その後、注液口１４ｃを図示しない仮封止部材で仮封止する（仮封止工程）。そして、電解液が各極の活物質に浸透した後、ケース１１を拘束して初期充電を行う（初期充電工程）。引き続き、二次電池１０をエージング温度にまで昇温させた状態で所定時間放置する（エージング工程）。その後、注液口１４ｃから仮封止部材を除去して注液口１４ｃを開放し、エージング工程においてケース１１内で発生したガスを、注液口１４ｃからケース１１外へ放出する（ガス抜き工程）。そして、注液口１４ｃを本封止部材２０で封止する（本封止工程）。次に、本封止部材２０の耐圧検査を行う（耐圧検査工程）。耐圧検査工程において、耐圧性能を満たしていると判定された二次電池１０に対し、注液口１４ｃにおける気密を確保できているか否かの検査を行う気密検査工程を行い、気密検査工程において、気密性能を満たしていると判定された二次電池１０を自己放電させる（自己放電工程）。これにより、二次電池１０が完成する。

次に、上記本封止工程における本封止部材２０による注液口１４ｃの封止方法を作用とともに説明する。
本封止部材２０による注液口１４ｃの封止方法は、ケース１１内に厚肉部２３ａが配置された状態で本封止部材２０を蓋１４に配置する配置工程と、胴部２１をかしめて膨出部２４を形成しつつ、膨出部２４の外周面を厚肉部２３ａを介して蓋１４の内壁面１４ａに押し当てるかしめ工程と、を有する。

さて、配置工程では、まず、シール部材４０の内側に注液口１４ｃが連通するように蓋１４の外壁面１４ｂにシール部材４０を載せる。次に、胴部２１の底壁２１ａ側から胴部２１をシール部材４０の内側から注液口１４ｃに挿入していき、胴部２１内の大径部３１がケース１１内に位置し、かつフランジ２２がシール部材４０を介して蓋１４の外壁面１４ｂに載置されるまで、胴部２１を注液口１４ｃに挿入する。蓋１４の内壁面１４ａよりも電極組立体１２寄りに厚肉部２３ａが配置される。その結果、厚肉部２３ａは、胴部２１の軸方向に沿ってフランジ２２のシール部材側端面２２ａから所定距離だけ離れた位置に配置される。

次に、かしめ工程を行う。操作部３２をケース１１の外に向けて胴部２１から引き抜く方向へ移動させる。すると、胴部２１のケース１１内に位置する部分が、大径部３１によって軸方向へ押し潰されるとともに内側から拡径され、蓋１４の内壁面１４ａに向けて膨出した膨出部２４が形成される。このとき、厚肉部２３ａは、膨出していく胴部２１に沿って伸張する。そして、形成された膨出部２４の外周面のうち、蓋１４寄りの一部が厚肉部２３ａを介して蓋１４の内壁面１４ａにおける注液口１４ｃの周囲に押し当てられる。

その結果、注液口１４ｃが、厚肉部２３ａ及び膨出部２４によって気密及び液密にシールされる。また、膨出部２４とフランジ２２によって、本封止部材２０が蓋１４に締結されるとともに、フランジ２２のシール部材側端面２２ａと、蓋１４の外壁面１４ｂとの間にはシール部材４０が挟持される。シール部材４０には、締結に伴う軸力がシール部材側端面２２ａ及び環状突部２２ｂを介して作用し、シール部材４０の軸方向へ圧縮されている。

上記実施形態によれば、以下のような作用効果を得ることができる。
（１）本封止部材２０は胴部２１を覆う弾性被膜２３を備え、弾性被膜２３は、その他の部分より厚さの厚い厚肉部２３ａを周方向全体に亘って備える。そして、注液口１４ｃは、膨出部２４の外周面が、弾性被膜２３を介して蓋１４の内壁面１４ａに押し当てられることで封止される。封止状態では、弾性被膜２３の厚肉部２３ａが、膨出部２４の外周面と蓋１４の内壁面１４ａによって挟持されている。弾性被膜２３が膨出部２４と蓋１４に押し当てられたり、挟持されたりしても、厚肉部２３ａによって膜厚を厚く確保しているため、弾性被膜２３が破れることを抑制できる。その結果、弾性被膜２３が破れることによって膨出部２４と蓋１４とが直接摺接してしまうことを抑制し、注液口１４ｃを封止する際に摩耗粉が発生することを抑制できる。

（２）厚肉部２３ａは、弾性被膜２３の全体の中の一部分に設けられている。このため、例えば、厚肉部２３ａが、膨出部２４の外周面と蓋１４の内壁面１４ａによって挟持された箇所から、胴部２１の底壁２１ａに至るまで胴部２１を覆うように設けられている場合と比べると、弾性被膜２３に要するコストを抑えることができる。

（３）弾性被膜２３は、胴部２１の底壁２１ａの外面及び外周面を覆う。このため、胴部２１を注液口１４ｃに挿入する際、弾性被膜２３によって胴部２１と蓋１４とが直接接触することが防止され、摩耗粉が発生することを抑制できる。

（４）弾性被膜２３の材質は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）や、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）である。ＰＴＦＥは摩擦係数の小さい材質であるため、弾性被膜２３が蓋１４の内壁面１４ａに接触したときに摺接しやすく、破れにくくなる。また、ＰＦＡは機械的強度を有する材質であるため、蓋１４の内壁面１４ａに押し当てられたときに破れにくい。

なお、実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
○ 図５に示すように、厚肉部２３ａは、膨出部２４の外周面と蓋１４の内壁面１４ａによって挟持された箇所から胴部２１の底壁２１ａに至るまで設けられていてもよい。

○ 胴部２１は、底壁２１ａがなく開放された形状であってもよい。この場合、弾性被膜２３は、胴部２１の底には設けられず、胴部２１の外周面を覆う状態に設けられる。
○ 実施形態では、蓋１４を壁部としたが、本体部材１３の側壁や底壁を壁部とし、それらに注液口１４ｃを設け、本封止部材２０で封止してもよい。

○ 正極電極は、正極金属箔の両面に正極活物質を有するとしたが、正極金属箔の片面のみに正極活物質を有していてもよい。同様に、負極電極は、負極金属箔の両面に負極活物質を有するとしたが、負極金属箔の片面のみに負極活物質を有していてもよい。

○ 蓄電装置は、二次電池１０でなく、電気二重層キャパシタ等の他の蓄電装置に適用してもよい。
○ 実施形態では、電極組立体１２として角型電池の積層タイプを記載したが、捲回タイプでもよい。さらに、蓄電装置は円筒形二次電池でもよい。

○ 二次電池１０は、リチウムイオン二次電池であったが、これに限らず、他の二次電池であってもよい。要するに、正極活物質と負極活物質との間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであればよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（１）前記弾性被膜はＰＴＦＥ製である。
（２）前記弾性被膜はＰＦＡ製である。

（３）前記蓄電装置は二次電池である。
（４）前記注液口に挿入される前の前記本封止部材は、前記弾性被膜によって覆われた前記胴部と、軸方向一端側に大径部を有するとともに、他端側に棒状の操作部を有し、前記胴部内の軸方向他端側に予め挿入されたマンドレルと、を有し、前記膨出部は、前記胴部内の前記大径部が前記ケース内に位置し、かつ前記フランジが前記壁部上に配置されるまで前記胴部を前記注液口に挿入した状態で、前記ケースの外に向けて前記操作部を前記胴部から引き抜くことで、前記胴部の前記ケース内に位置する部分が、前記大径部によって軸方向へ押し潰されるとともに内側から拡径されることにより形成される。

１０…蓄電装置としての二次電池、１１…ケース、１２…電極組立体、１４…壁部としての蓋、１４ａ…内壁面、１４ｃ…注液口、２０…本封止部材、２１…胴部、２２…フランジ、２３…弾性被膜、２３ａ…厚肉部、２３ｂ…薄肉部、２４…膨出部。

Claims (2)

1. 金属製のケース内に電極組立体及び電解液が収容され、
   前記ケースの壁部に前記電解液の注液口を有するとともに、前記注液口を封止する本封止部材を備え、
   前記本封止部材は、軸方向一端にフランジを備える筒状の胴部を有するとともに、前記胴部の前記ケース内に位置する部分が軸方向へ押し潰され、かつ内側から拡径して形成された膨出部を有し、
   前記膨出部が前記壁部の内壁面のうち前記注液口の周囲を押圧している蓄電装置であって、
   前記胴部の外周面を覆う弾性被膜を備え、
   前記弾性被膜において前記膨出部の外周面と前記壁部の内壁面によって挟持される部分の周方向全体に亘る膜厚が、前記注液口の内側に位置する部分の膜厚より厚いことを特徴とする蓄電装置。
2. 前記膜厚の厚い部分は、前記弾性被膜の全体のうちの前記膨出部の外周面と前記壁部の内壁面とによって挟持される一部分に設けられている請求項１に記載の蓄電装置。