JP2021068648A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の二次電池では、蓋と栓の接合強度を高めることが出来ない問題がある。【解決手段】本発明の二次電池は、発電体が収納されるケース２０と、ケース２０を封止する蓋２５と、蓋２５に設けられた開口に対して超音波溶接により接合され、開口を封止するキャップ４１と、を有し、開口の周囲にケース２０の開口端の向く方向であって、ケース２０の外側に向かう第１の方向に向かって凸形状となるリブ４０が設けられ、キャップ４１は、リブ４０を覆う形状を有する。【選択図】図３

Description

本発明は二次電池に関し、例えば、発電体を収納するケースと当該ケースを封止する蓋とを有し、蓋に設けられる開口を封止する栓が蓋に設けられる二次電池に関する。

近年、二次電池の利用が拡大している。二次電池では、電池セルのケース内に電解液を注入するための注液口が蓋に設けられる。この注液口は、二次電池が完成した状態では塞いでおく必要がある。溶接の方法としては、レーザー溶接、超音波溶接がある。しかしながら、注液孔は注液時に電解液が開口部に付着しやすく、電解液が付着した状態で注液孔をレーザー溶接すると、ボイドやピンホールが発生しやすい問題がある。一方、超音波溶接では、非溶接物に対して圧力を加えながら超音波を印加するため、このようなボイドやピンホールは発生しない。そこで、注液口を超音波溶接により封止する方法が特許文献１に開示されている。

特許文献１に記載の密閉型電池は、発電要素を内蔵せる電池ケースと該電池ケースの開口部を閉塞する封口蓋板とを具備し、該封口蓋板には注液孔が形設されており、該注液孔は封口栓が超音波溶接されることにより気密封止され、該封口栓と該封口蓋板の材質がアルミニウムであることを特徴とする。

特許第３６１４８９１号公報

注液孔に対する超音波溶接では、溶接時の圧力を受けるアンビル（受け治具）を用いないアンビルレス溶接を行う必要がある。そのため、注液孔に対する超音波溶接では、加圧に伴うケースの変形を抑えながら加圧及び加振を行う必要があり、加圧不足に起因する接合強度が発生するおそれがある。また、このような接合強度不足は、充放電に伴うケースの膨張及び収縮に起因する耐圧疲労強度の低下を招く。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、注液孔を封止する封口栓を超音波溶接する際に、ケースの変形を抑制しながら加圧力を高めることができず栓の接合強度を高めることが出来ない問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、二次電池の信頼性を向上させることを目的とするものである。

本発明の二次電池の一態様は、発電体が収納されるケースと、前記ケースを封止する蓋と、前記蓋に設けられた開口に対して超音波溶接により接合され、前記開口を封止するキャップと、を有し、前記開口の周囲に前記ケースの開口端の向く方向であって、前記ケースの外側に向かう第１の方向に向かって凸形状となるリブが設けられ、前記キャップは、前記リブを覆う形状を有する。

本発明の二次電池では、開口の周囲に沿ってリブを設け、当該リブを覆うようにキャップを取り付けることで、開口を封止する栓と蓋との接合強度を高めることができる。

本発明の二次電池によれば、二次電池の信頼性を向上させることができる。

実施の形態１にかかる二次電池の構造の概略図である。 実施の形態１にかかる二次電池の蓋の構造を説明する図である。 実施の形態１にかかる二次電池の蓋の注液口及びキャップの構造を説明する図である。 実施の形態１にかかる二次電池のキャップを溶接する溶接装置を説明する図である。 実施の形態２にかかる二次電池の蓋の注液口及びキャップの構造を説明する図である。 実施の形態３にかかる二次電池の蓋の開口部及び開放弁の構造を説明する図である。 実施の形態４にかかる二次電池の蓋の注液口及びキャップの構造を説明する図である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

まず、図１に実施の形態１にかかる二次電池１の構造の概略図を示す。図１に示すように、実施の形態１にかかる二次電池１は、捲回体１０、ケース２０、集電部品２１、２３、蓋２５を有する。

捲回体１０は、正極シートと負極シートとセパレータシートが積層された状態で３周以上捲回され、かつ、横断面が扁平形状に形成されたものである。捲回体１０は、発電体１１、第１の集電部１２、第２の集電部１３を有する。発電体１１は、正極シートのうち正極活物質が塗工された領域と、負極シートのうち負極活物質が塗工された領域と、セパレータシートと、が積層された領域である。発電体１１は、二次電池の電気エネルギーを蓄積する機能を有する。第１の集電部１２は、捲回体に含まれるシートのうち正極シートと負極シートの一方のシートが捲回された部分である。第２の集電部１３は、捲回体に含まれるシートのうち正極シートと負極シートの他方のシートが捲回された部分である。第１の集電部１２又は第２の集電部１３として設けられるシートには活物質は塗工されない。

ここで、正極シート及び負極シートに塗工される活物質について説明する。正極シートには、活物質として、例えば、LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2等が塗工される。また、負極シートには、活物質として、例えば、黒鉛（LiC6）、チタネイト（Li4Ti5O12）等が塗工される。そして、積層体では、正極シートにおいて活物質が塗工される活物質領域と、負極シートのうち活物質が塗工される活物質領域と、が重ね合わされるように積層され、セパレータシートはこの正負の活物質領域に挟まれるように設けられる。なお、以下の説明では、正極シートと負極シートとを含む語として電極シートを用いる。

ケース２０には、集電部品２１及び集電部品２３が捲回体１０に取り付けられ状態で捲回体１０、集電部品２１及び集電部品２３が収納される。そして、捲回体１０、集電部品２１及び集電部品２３がケース２０に収納された状態で蓋２５とケース２０が接合される。

ここで、第１の集電部１２には、集電部品２１が溶接技術等を用いて接合される。第２の集電部１３には、集電部品２３が溶接技術等を用いて接合される。そして、集電部品２１には、極柱２２が蓋２５側に突出するように設けられる。集電部品２３には、極柱２４が蓋２５側に突出するように設けられる。そして、ケース２０に蓋２５が被せられた状態で、極柱２２及び極柱２４は、ケース２０に設けられた電極取り出し穴を介して、蓋２５から突出する状態となる。

実施の形態１にかかる二次電池１では、蓋２５の構造、特にケース２０内に電解液を注入するために設けられる注液口と当該注液口を封止するキャップの構造に特徴の１つがある。そこで、図２に実施の形態１にかかる二次電池の蓋２５の構造を説明する図を示す。

図２に示すように、実施の形態１にかかる蓋２５は、複数の開口が設けられる。図２に示す例では、開口として、電極取り出し穴３０、電極取り出し穴３１、注液口３２、開放弁３３が設けられる。電極取り出し穴３０、電極取り出し穴３１は、ケース２０内に納められる集電部品に設けられる極柱２２、２４を取り出すための穴である。注液口３２は、ケース２０に蓋２５が溶接により取り付けられた後にケース２０内に電解液を注入するための穴である。注液口３２は、注液後にキャップにより封止される。開放弁３３は、予め蓋２５に設けられた開口に封止弁が取り付けられたものであり、ケース２０を密閉状態とした状態でケース２０内の内圧が予め設定された圧力以上に高まった場合に、ケース２０内の気体を放出するための弁である。

続いて、実施の形態１にかかる二次電池１の特徴的な構造の１つである注液口３２とキャップの構造について詳細に説明する。そこで、図３に実施の形態１にかかる二次電池１の２５蓋の注液口３２及びキャップ４１の構造を説明する図を示す。図３に示す例は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った二次電池１の断面図である。

図３では、蓋２５に設けられる注液口３２と、注液口３２を封止するキャップ４１とを示した。また、図３では、キャップ４１を蓋２５に溶接するための溶接チップ５１を示した。キャップ４１は、蓋２５に超音波溶接により接合される。

図３に示すように、実施の形態１にかかる蓋２５では、注液口３２の周囲にリブ４０を設ける。このリブ４０は、開口（例えば、注液口３２）の周囲にケース２０の開口端の向く方向であって、ケース２０の外側に向かう第１の方向に向かって凸形状を有する。また、実施の形態１では、キャップ４１が、蓋２５に取り付けられた状態で、蓋２５から突出する側に凸形状となる湾曲した形状を有する。そして、リブ４０は、当該キャップ４１の形状に合わせるように、第１の方向と直交する方向であって、蓋２５の注液口３２から離れる方向となる第２の方向に向かって高さが低くなる湾曲形状を有する。

図３に示す例では、上図に溶接前の状態を示し、下図に溶接後の注液口３２の状態を示した。実施の形態１にかかる二次電池１では、ケース２０に３０００系アルミニウム（例えば、Ａｌ−Ｍｎ系合金）を用い、蓋２５に１０００系アルミニウム（例えば、純アルミニウム）を用い、キャップ４１に５０００系アルミニウム（例えば、Ａｌ−Ｍｇ系合金）を用いる。１０００系アルミニウムと３０００系アルミニウムは、レーザー溶接で接合することが可能である。しかしながら、１０００系アルミニウムと５０００系アルミニウムは、レーザー溶接を行うとクラック等が生じるため、蓋２５とキャップ４１はレーザー溶接を行うことは難しい。そこで、実施の形態１にかかる二次電池１では、蓋２５とキャップ４１を超音波溶接により接合する。

この超音波溶接では、溶接する２つの部材間に与える圧力が接合強度に影響する。そこで、超音波溶接時に蓋２５とキャップ４１との間に圧力を加えるための溶接装置を用いて、実施の形態１にかかる二次電池１を製造する。そこで、この溶接装置５０について説明する。図４に実施の形態１にかかる二次電池１のキャップ４１を溶接する溶接装置５０を説明する図を示す。なお、図４に示す例では、溶接チップ５１を降下させ、かつ、溶接チップ５１を介してキャップ４１に超音波振動を与えるホーンが備え付けられる加振部については図示を省略した。

図４に示すように、溶接装置５０は、ワークとなる注液済みの二次電池１を支持する支持治具と、溶接チップ５１に対して加圧及び加振を行う加振部（不図示）と、を有する。図４では、主に支持治具について図示した。支持治具は、ベース部材５２、ワークガイド壁５３、ワーク支持プレート５４、スライダー５５、弾性部材５６を有する。

支持治具は、ワークを保持するワークガイド壁５３をベース部材５２に直交する方向に形成する。また、支持治具は、ワークガイド壁５３とベース部材５２で囲まれる領域の底部に、平板部材で形成され、ワークの底部を支持するワーク支持プレート５４を設ける。そして、ワーク支持プレート５４をワークの底側から支えるようにスライダー５５を設ける。スライダー５５は、ワーク支持プレート５４を加圧の偏りにかかわらず平行に上下させるためのものである。また、支持治具では、ワーク支持プレート５４とベース部材５２との間に挟まれる領域に弾性部材５６が設けられる。弾性部材５６は、複数のバネ、或いは、ウレタンゴムで形成される。この弾性部材５６は、一定の圧縮力に対して一定の縮み量となる部材である。

溶接装置５０では、このような支持治具を用いて、支持治具に二次電池１を入れた状態で、先端に溶接チップ５１が設けられるホーンにより二次電池１をワーク支持プレート５４側に押し当てる。このとき、二次電池１の沈み込み量ＰＤが所定の大きさになったときに二次電池１の蓋２５とキャップ４１との間に一定の圧力がかかる。このように、溶接装置５０を用いることで、沈み込み量ＰＤの大きさにより蓋２５とキャップ４１との間に安定した加圧力を加えることができる。そして、溶接チップ５１によりキャップ４１を蓋２５に一定の加圧力をかけた状態で加振することで、溶接装置５０は、キャップ４１を蓋２５に超音波溶接を行う。

上記説明より、実施の形態１にかかる二次電池１では、蓋２５に設けられる開口（例えば、注液口３２）の外周に沿ってリブ４０を設ける。このリブ４０は、ケース２０の開口端の向く方向であって、ケース２０の外側に向かう第１の方向に向かって凸形状となり、かつ、その上面が第１の方向と直交する方向であって、蓋２５の開口から離れる方向となる第２の方向に向かって高さが低くなる湾曲形状を有する。これにより、実施の形態１にかかる二次電池１では、注液口３２の外周に沿った領域の強度を高めることができる。そして、このような形状のリブ４０を覆うようにキャップ４１を超音波溶接する。これにより、実施の形態１にかかる二次電池では、キャップ４１の超音波溶接工程においてキャップ４１に圧力をかけた際の蓋２５及びケース２０の変形を抑制することができる。

また、実施の形態１にかかる二次電池１では、上述したように、ケース２０の内圧が高まるとケース２０及び蓋２５の変形を招くことがある。しかしながら、実施の形態１にかかる二次電池１では、リブ４０とリブ４０を覆うキャップ４１とにより注液口３２を封止するため、平坦面と平坦面とを溶接する形態で注液口３２を封止する場合よりも溶着面積を大きくすることができる。これにより、実施の形態１にかかる二次電池１では、内圧上昇に起因する変形に対しても蓋２５とキャップ４１の間の溶着状態を維持することができる。

また、実施の形態１にかかる溶接装置５０を用いることで、キャップ４１の超音波溶接工程において、キャップ４１の押圧力を安定させることができる。特に、二次電池では、蓋２５の内圧が上昇することがあり、キャップ４１の溶接強度が低下すると開放弁３３による気体開放が行われる前に、キャップ４１が破損して注液口３２から気体がもれるおそれがある。しかしながら、溶接装置５０を用いてキャップ４１を蓋２５に溶接することで、キャップ４１と蓋２５の溶着力のばらつきを抑制して、内圧制御を適切に行うことができる。

また、リブ４０により、実施の形態１にかかる二次電池１では、超音波溶接工程生じる異物がリブ４０の湾曲形状に沿って外側に排出されるため、注液口３２から蓋２５内に入り込むことを防止することができる。

実施の形態２
実施の形態２では、注液口３２の外周に設けられるリブとキャップの形状の別の形態について説明する。なお、実施の形態２の説明では、実施の形態１で説明した構成要素と同じ構成要素については実施の形態１と符号を付して説明を省略する。

図５に実施の形態４にかかる二次電池の蓋の注液口及びキャップの構造を説明する図を示す。図５に示すように、実施の形態２にかかるキャップ４１ａは、蓋２５側に向かって凹形状となる形状を有する。また、注液口３２の外周に沿って設けられるリブ４０ａは、断面視において、ケース２０の開口端の向く方向であって、ケース２０の外側に向かう第１の方向に向かって凸形状となり、かつ、その上面が第１の方向と直交する方向であって、蓋２５の開口から離れる方向となる第２の方向に向かって高さが低くなるスロープ形状を有する。そして、キャップ４１ａにおいてリブ４０ａと接する部分は、リブ４０ａのスロープの形状に合わせた形状を有する。そして、図５の下図に示すように、実施の形態２にかかる二次電池では、リブ４０ａとキャップ４１ａが密着するように、キャップ４１ａが蓋２５に超音波溶接される。

実施の形態２では、リブとキャップの形状の別の形態について説明した。リブとキャップの形状を、上記説明したような形状としても、リブ４０ａにより注液口３２の外周部の強度を高めることができるため、適切な加圧力による超音波溶接を行うことができ、キャップ４１ａと蓋２５との接合強度を高めることができる。また、実施の形態２においても、リブ４０ａを設けることより、溶接により生じた異物はリブ４０ａのスロープ形状に沿ってケース２０の外に排出される。また、実施の形態２にかかる二次電池においても、リブ４０ａとキャップ４１ａとの溶着部分の面積を大きくすることができるため、ケース２０の内圧上昇に起因する変形に高い耐性を得ることができる。

実施の形態３
実施の形態３では、注液口３２の外周に設けられるリブとキャップの形状の別の形態について説明する。なお、実施の形態３の説明では、実施の形態１で説明した構成要素と同じ構成要素については実施の形態１と符号を付して説明を省略する。

図６に実施の形態３にかかる二次電池の蓋の注液口及びキャップの構造を説明する図を示す。図６に示すように、実施の形態３にかかるキャップ４１ｂは、蓋２５側に向かって凹形状となる形状を有する。また、注液口３２の外周に沿って設けられるリブ４０ｂは、キャップ４１ｂの凹形状の角部に合わせた形状であって、断面視において矩形形状を有する。そして、図６の下図に示すように、実施の形態３にかかる二次電池では、リブ４０ｂとキャップ４１ｂが密着するように、キャップ４１ｂが蓋２５に超音波溶接される。

実施の形態３では、リブとキャップの形状の別の形態について説明した。リブとキャップの形状を、上記説明したような形状としても、リブ４０ｂにより注液口３２の外周部の強度を高めることができるため、適切な加圧力による超音波溶接を行うことができ、キャップ４１ｂと蓋２５との接合強度を高めることができる。また、実施の形態３にかかる二次電池においても、リブ４０ａとキャップ４１ｂとの溶着部分の面積を大きくすることができるため、ケース２０の内圧上昇に起因する変形に高い耐性を得ることができる。なお、実施の形態３にかかる二次電池では、異物の混入を防ぐ能力が実施の形態１、２に比べて小さくなるが、リブ４０ｂを有することで、超音波溶接時の蓋２５の変形が防がれるため、リブ４０ｂがない形態に比べて異物の発生量が少なくなる。

実施の形態４
実施の形態４では、実施の形態２と同様の構造を適用して、開放弁３３が設けられる開口を封止する方法を説明する。なお、実施の形態４の説明では、実施の形態１、２で説明した構成要素と同じ構成要素については実施の形態１、２と符号を付して説明を省略する。

図７に実施の形態４にかかる二次電池の蓋の開口部及びキャップの構造を説明する図を示す。図７に示すように、実施の形態４にかかるキャップ４１ｃは、蓋２５側に向かって凹形状となる形状を有する。また、実施の形態４にかかるキャップ４１ｃは、開放弁３３となる開口部を覆う部分が、他の部分よりも薄く形成される。

そして、実施の形態４にかかる二次電池の開放弁３３が設けられる蓋の開口部の外周に沿って設けられるリブ４０ｃが設けられる。リブ４０ｃは、断面視において、ケース２０の開口端の向く方向であって、ケース２０の外側に向かう第１の方向に向かって凸形状となり、かつ、その上面が第１の方向と直交する方向であって、蓋２５の開口から離れる方向となる第２の方向に向かって高さが低くなるスロープ形状を有する。また、実施の形態４にかかるリブ４０ｃでは、開放弁３３となる開口の淵に沿った部分は、スロープ形状ではなく、蓋２５の取り付け面に対して平行になる平面形状となる平坦部４２となるように形成される。また、実施の形態４にかかるそして、キャップ４１ｃにおいてリブ４０ｃと接する部分は、リブ４０ｃのスロープの形状に合わせた形状を有する。そして、図７の下図に示すように、実施の形態４にかかる二次電池では、リブ４０ｃとキャップ４１ｃが密着するように、キャップ４１ｃが蓋２５に超音波溶接される。

実施の形態４では、キャップ４１ｃとして開放弁３３を構成する例について説明した。このように、開放弁３３をキャップとすることで、開放弁３３となるキャップ４１ｃとの接合強度を高めることができる。そして、実施の形態３にかかる二次電池では、リブ４０ｃとキャップ４１ｃとの溶着力を高めることができるため、キャップ４１ｃに形成した開放構造（他の部分より薄い部分）によって気体が開放される内圧の制御をより高精度に行うことができる。

また、実施の形態４にかかる二次電池では、リブ４０ｃにおいてキャップ４１ｃと対向する上端部にスロープに加えて平坦部４２を設ける。これにより、実施の形態４にかかる二次電池では、キャップ４１ｃと２５との接合力をより安定させ、開放弁３３の開放圧力をより高精度に制御することができる。

上記説明より、実施の形態４にかかる二次電池１では、蓋２５に設けられる開口（例えば、開放弁３３が取り付けられる開口）の外周に沿って第１の方向でケース２０から突出する凸形状となるリブ４０を設ける。これにより、実施の形態４にかかる二次電池では、開放弁３３の外周に沿った領域の強度を高めることができる。そして、このような形状のリブ４０ｃを覆うようにキャップ４１ｃを超音波溶接する。これにより、実施の形態４にかかる二次電池では、キャップ４１ｃの超音波溶接工程においてキャップ４１ｃに圧力をかけた際の蓋２５及びケース２０の変形を抑制することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

（付記１）
ベース部材と、
前記ベース部材に直交する方向に形成され、ワークを保持するワークガイド壁と、
平板部材で形成され、前記ワークの底部を支持するワーク支持プレートと、
前記ワーク支持プレートに取り付けられ、前記ワーク支持プレートを平行に上下させるスライダーと、
前記ワーク支持プレートと前記ベース部材との間に挟まれる領域に設けられ、一定の圧縮力に対して一定の縮み量となる弾性部材と、
前記ワーク支持部レートと対向する方向から前記ワークを押し込み、かつ、前記ワークに超音波振動を与える接合チップが先端に取り付けられるホーンと、
を有する超音波溶接装置。

１ 二次電池
１０ 捲回体
１１ 発電体
１２ 第１の集電部
１３ 第２の集電部
２０ ケース
２１ 集電部品
２２ 極柱
２３ 集電部品
２４ 極柱
２５ 蓋
２６ 蓋溶接部
３０ 電極取り出し穴
３１ 電極取り出し穴
３２ 注液口
３３ 開放弁
４０ リブ
４１ キャップ
５０ 溶接装置
５１ 溶接チップ
５２ ベース部材
５３ ワークガイド壁
５４ ワーク支持プレート
５５ スライダー
５６ 弾性部材

Claims (6)

1. 発電体が収納されるケースと、
   前記ケースを封止する蓋と、
   前記蓋に設けられた開口に対して超音波溶接により接合され、前記開口を封止するキャップと、を有し、
   前記開口の周囲に前記ケースの開口端の向く方向であって、前記ケースの外側に向かう第１の方向に向かって凸形状となるリブが設けられ、
   前記キャップは、前記リブを覆う形状を有する二次電池。
2. 前記キャップは、前記蓋に接合された状態で前記蓋から突出する側に凸形状となる湾曲した形状を有し、
   前記リブは、前記第１の方向と直交する方向であって、前記蓋の開口から離れる方向となる第２の方向に向かって高さが低くなる湾曲形状を有する請求項１に記載の二次電池。
3. 前記リブは、前記凸形状とされる部分が、前記第１の方向と直交する方向であって、前記蓋の開口から離れる方向となる第２の方向に向かって高さが低くなるスロープ形状に形成され、
   前記キャップは、前記スロープ形状に合わせた形状を有する請求項１に記載の二次電池。
4. 前記リブは、前記凸形状とされる部分が、断面視において矩形形状を有し、
   前記キャップは、前記蓋側に向かって凹形状となる形状を有する請求項１に記載の二次電池。
5. 前記キャップは、前記ケースを密閉状態とした状態で前記ケース内の内圧が予め設定された圧力以上に高まった場合に、前記ケース内の気体を放出する開放弁である請求項１に記載の二次電池。
6. 前記蓋と前記キャップは、異なる種類のアルミニウムで形成される請求項１乃至５のいずれか１項に記載の二次電池。

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