JP2023058947A

JP2023058947A - 電池

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Publication number: JP2023058947A
Application number: JP2021168777A
Authority: JP
Inventors: 友和山中; Tomokazu Yamanaka
Original assignee: Prime Planet Energy and Solutions Inc
Current assignee: Prime Planet Energy and Solutions Inc
Priority date: 2021-10-14
Filing date: 2021-10-14
Publication date: 2023-04-26
Anticipated expiration: 2041-10-14
Also published as: JP7399148B2

Abstract

【課題】封止部材による電解液注液孔の確実な封止状態を実現可能な電池を提供する。【解決手段】電池は、電極体および電解液と、電極体および電解液を収納し、第１の径を有する注液孔を含む外装缶と、外装缶にカシメ固定され、注液孔を封止する封止部材とを備える。封止部材は、注液孔に挿入される軸部と、外装缶の外側において軸部の径方向外側に位置する鍔部とを有するリベット部材と、鍔部と外装缶との間において圧縮され、第１の径以上の第２の径を有する中央孔を囲むリング状のワッシャ部材とを含む。ワッシャ部材は、圧縮前の状態において、中央孔の片側に０．０８ｍｍ2以上０．１４ｍｍ2以下の断面積を有する。ワッシャ部材は、ワッシャ部材の径方向全体に亘って圧縮される。【選択図】図３

Description

本技術は、電池に関する。

電池の外装缶に電解液を注液した後、電解液注液孔を封止部材により封止する構造が従来から採用されている。このような構造は、たとえば特開２０１１－７６８６５号公報（特許文献１）および特開２０１０－２７７９３６号公報（特許文献２）に記載されている。特許文献１，２に記載の構造においては、封止部材が外装缶にカシメ固定される。

特開２０１１－７６８６５号公報特開２０１０－２７７９３６号公報

封止部材が外装缶にカシメ固定されるとき、外装缶の密閉性を確保し、電解液の漏液を防止するため、確実な封止状態を実現することが求められる。本技術の目的は、封止部材による電解液注液孔の確実な封止状態を実現可能な電池を提供することにある。

本技術に係る電池は、電極体および電解液と、電極体および電解液を収納し、第１の径を有する注液孔を含む外装缶と、外装缶にカシメ固定され、注液孔を封止する封止部材とを備える。封止部材は、注液孔に挿入される軸部と、外装缶の外側において軸部の径方向外側に位置する鍔部とを有するリベット部材と、鍔部と外装缶との間において圧縮され、第１の径以上の第２の径を有する中央孔を囲むリング状のワッシャ部材とを含む。ワッシャ部材は、圧縮前の状態において、中央孔の片側に０．０８ｍｍ²以上０．１４ｍｍ²以下の断面積を有する。ワッシャ部材は、ワッシャ部材の径方向全体に亘って圧縮される。

本技術によれば、電池の電解液注入孔を封止する封止部材をカシメ固定する構造において、確実な封止状態を実現することができる。

角形二次電池の斜視図である。図１におけるII－II断面図である。１つの実施の形態に係る封止部材の構造を示す断面図である。比較例に係る封止部材の構造を示す断面図である。図４におけるＡ部周辺の構造を示す図（その１）である。図４におけるＡ部周辺の構造を示す図（その２）である。図４におけるＡ部周辺の構造を示す図（その３）である。図４におけるＡ部周辺の構造を示す図（その４）である。電解液の注液工程と封止部材のカシメ工程を示す図である。圧縮前のワッシャ部材の平面形状の一例を示す図（その１）である。圧縮前のワッシャ部材の平面形状の一例を示す図（その２）である。圧縮前のワッシャ部材の平面形状の一例を示す図（その３）である。圧縮前のワッシャ部材の平面形状の一例を示す図（その４）である。

以下に、本技術の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本技術の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本技術にとって必ずしも必須のものではない。

なお、本明細書において、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「有する（ｈａｖｅ）」の記載は、オープンエンド形式である。すなわち、ある構成を含む場合に、当該構成以外の他の構成を含んでもよいし、含まなくてもよい。また、本技術は、本実施の形態において言及する作用効果を必ずしもすべて奏するものに限定されない。

本実施の形態に係る電池は、典型的には車載用のリチウムイオン二次電池である。ただし、本明細書において、「電池」は、リチウムイオン電池に限定されず、ニッケル水素電池など他の電池を含み得る。

図１は、角形二次電池１の斜視図である。図２は、図１におけるII－II断面図である。

図１，図２に示すように、角形二次電池１は、電池ケース１００と、電極体２００と、絶縁シート３００と、正極端子４００と、負極端子５００と、正極集電部材６００と、負極集電部材７００と、カバー部材８００と、封止部材９００とを含む。

電池ケース１００は、開口を有する有底角筒状の角形外装体１１０と、角形外装体１１０の開口を封口する封口板１２０とからなる。角形外装体１１０および封口板１２０は、それぞれ金属製であることが好ましく、アルミニウムまたはアルミニウム合金製とすることが好ましい。

封口板１２０には、電解液注液孔１２１が設けられる。電解液注液孔１２１から電池ケース１００内に電解液が注液された後、電解液注液孔１２１は、封止部材９００（リベット）により封止される。

封口板１２０には、ガス排出弁１２２が設けられる。ガス排出弁１２２は、電池ケース１００内の圧力が所定値以上となった際に破断する。これにより、電池ケース１００内のガスが電池ケース１００外に排出される。

電極体２００は、電解液とともに電池ケース１００内に収容されている。電極体２００は、正極板と負極板がセパレータを介して積層されたものである。電極体２００と角形外装体１１０の間には樹脂製の絶縁シート３００が配置されている。

電極体２００の封口板１２０側の端部には、正極タブ２１０Ａおよび負極タブ２１０Ｂが設けられている。

正極タブ２１０Ａと正極端子４００とは、正極集電部材６００を介して電気的に接続されている。正極集電部材６００は、第１正極集電体６１０および第２正極集電体６２０を含む。なお、正極集電部材６００は、１つの部品から構成されてもよい。正極集電部材６００は、金属製であることが好ましく、アルミニウムまたはアルミニウム合金製とすることがより好ましい。

負極タブ２１０Ｂと負極端子５００とは、負極集電部材７００を介して電気的に接続されている。負極集電部材７００は、第１負極集電体７１０および第２負極集電体７２０を含む。なお、負極集電部材７００は、１つの部品から構成されてもよい。負極集電部材７００は、金属製であることが好ましく、銅または銅合金製であることがより好ましい。

正極端子４００は、樹脂製の外部側絶縁部材４１０を介して封口板１２０に固定されている。負極端子５００は、樹脂製の外部側絶縁部材５１０を介して封口板１２０に固定されている。

正極端子４００は金属製であることが好ましく、アルミニウムまたはアルミニウム合金製であることがより好ましい。負極端子５００は金属製であることが好ましく、銅または銅合金製であることがより好ましい。負極端子５００が、電池ケース１００の内部側に配置される銅または銅合金からなる領域と、電池ケース１００の外部側に配置されるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる領域を有するようにしてもよい。

カバー部材８００は、第１正極集電体６１０と電極体２００との間に位置する。カバー部材８００は、負極集電体側に設けられてもよい。また、カバー部材８００は必須の部材ではなく、適宜省略が可能である。

角形二次電池１を製造する際は、正極端子４００、負極端子５００、正極集電部材６００、負極集電部材７００、およびカバー部材８００が封口板１２０に組み付けられる。他方、電極体２００は絶縁シート３００で包まれる。電極体２００および絶縁シート３００は、角形外装体１１０に挿入される。その後、封口板１２０が角形外装体１１０に溶接接続され、角形外装体１１０の開口が封口板１２０により封口され、密閉された電池ケース１００が形成される。

その後、封口板１２０に設けられた電解液注液孔１２１から非水電解液が電池ケース１００に注液される。非水電解液としては、たとえば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、およびジメチルカーボネート（ＤＭＣ）を含むものが用いられる。

非水電解液が注液された後、電池ケース１００内の減圧工程を経て、電解液注液孔１２１は封止部材９００により封止される。以上の工程の実施により、角形二次電池１は完成する。

図３は、本実施の形態に係る封止部材９００の構造を示す断面図である。図３に示すように、封止部材９００は、リベット部材９１０と、マンドレル部材９２０と、ワッシャ部材９３０とを含む。

リベット部材９１０は、典型的には金属により構成されるがこれに限定されない。リベット部材９１０は、鍔部９１１と、軸部９１２と、カシメ固定部９１３とを含む。

鍔部９１１は、封口板１２０の外面と対向する。鍔部９１１は、電池ケース１００の外側において軸部９１２の径方向外側に位置する。

軸部９１２は、電解液注液孔１２１の孔径（第１の径）と同じか、若干小さい外径を有している。軸部９１２は、電解液注液孔１２１に挿入される。軸部９１２の根元部分にカシメ固定部９１３が形成される。カシメ固定部９１３により、リベット部材９１０を含む封止部材９００は、封口板１２０に固定される。

マンドレル部材９２０は、典型的には金属により構成されるがこれに限定されない。マンドレル部材９２０は、係合部９２１と、切断部９２２とを含む。

係合部９２１は、リベット部材９１０の軸部９１２に係合する。切断部９２２は、カシメ固定部９１３を形成する工程においてマンドレル部材９２０が切断された部分である。予めマンドレル部材９２０に脆弱部を設けることにより、切断部９２２の位置を決めることができる。

ワッシャ部材９３０は、リベット部材９１０よりも硬度が低い素材（たとえばＰＦＡなどのフッ素樹脂、ポリプロピレンなど）により構成される。ワッシャ部材９３０は、リベット部材９１０の鍔部９１１と封口板１２０との間で圧縮される。これにより、鍔部９１１と封口板１２０との間をワッシャ部材９３０によりシールすることができる。

ワッシャ部材９３０は、リング形状を有する。リング形状の中央孔の径（第２の径）は、電解液注液孔１２１の孔径（第１の径）と同じか、若干大きい。すなわち、ワッシャ部材９３０の内径は、電解液注液孔１２１の孔径以上である。

ワッシャ部材９３０は、圧縮前の状態において、中央孔の片側（図３に示すワッシャ部材９３０の２つの断面のうちの片側）に０．０８ｍｍ²以上０．１４ｍｍ²以下程度の断面積を有する。圧縮後において、ワッシャ部材９３０の断面積は、周方向に沿って若干変動するが、周方向全体に亘ってのワッシャ部材９３０の断面積の平均は、圧縮前のワッシャ部材９３０の断面積からほとんど変化しない。

ワッシャ部材９３０は、ワッシャ部材９３０の径方向全体に亘ってリベット部材９１０の鍔部９１１と封口板１２０との間で圧縮される。これにより、ワッシャ部材９３０によるシール性を安定して得ることができる。

図４は、比較例に係る封止部材９００の構造を示す断面図である。図４に示す比較例においても、基本的な構造は、図３に示す構造と同じである。すなわち、リベット部材９１０Ａは、鍔部９１１Ａと、軸部９１２Ａと、カシメ固定部９１３Ａとを含み、マンドレル部材９２０Ａは、係合部９２１Ａと、切断部９２２Ａとを含む。

ただし、図４の比較例において、リベット部材９１０Ａは、鍔部９１１Ａの下面から封口板１２０に向かって突出するリブ９１４Ａを含む。ワッシャ部材９３０Ａは、リベット部材９１０Ａのリブ９１４Ａと封口板１２０との間で圧縮される。すなわち、ワッシャ部材９３０Ａは、リブ９１４Ａの下部において局所的に圧縮される。

図５から図８は、図４の比較例におけるＡ部周辺の構造を示す図である。上述のとおり、ワッシャ部材９３０Ａは、リブ９１４Ａの下部において圧縮されるが、リベット部材９１０Ａの製造誤差などによる寸法のばらつきに起因して、ワッシャ部材９３０Ａの圧縮が不十分となり、ワッシャ部材９３０Ａによるシール性が十分に確保できない場合が生じ得る。

具体的には、たとえば、リブ９１４Ａの高さ（図５中のＨ）が十分でない場合に、ワッシャ部材９３０Ａの圧縮が十分でない場合が生じ得る。また、リベット部材９１０Ａの鍔部９１１Ａと軸部９１２Ａとの境界に形成されるＲ部９１５Ａにおいて、設計線９１５Ａ１に対して現実線９１５Ａ２が張り出した場合、たとえば、図６に示すようにＲ寸法が大きい場合、図７に示すようにＲ部９１５Ａの形成角度θが９０°よりも小さい場合、図８に示すようにＲ部９１５Ａの下部に倒れ込み部９１６Ａが形成された場合などには、ワッシャ部材９３０Ａを圧縮した際、リブ９１４Ａから軸部９１２Ａ方向と、リブ９１４Ａから外方向とにワッシャ部材９３０Ａの逃げが生じる。このため、上述のＲ部９１５Ａの下部倒れ込みにより、リブ９１４Ａから軸部９１２Ａ間の体積が減少し、ワッシャ部材９３０Ａを圧縮した際のワッシャ部材９３０Ａの逃げ代が少なくなる。この結果、リブ９１４Ａから軸部９１２Ａ間での体積が、逃げたワッシャ部材９３０Ａでいっぱいになり、リブ９１４Ａの下部において、ワッシャ部材９３０Ａの圧縮が不十分になる。

他方、ワッシャ部材９３０Ａの圧縮を確保するためにリベット部材９１０Ａを封口板１２０側に押圧する荷重を過度に大きくした場合、封口板１２０の変形量が増大する、または封口板１２０が角形外装体１１０に対して傾くなどの事象が生じ得る。

これに対し、本実施の形態に係る封止部材９００において、ワッシャ部材９３０は、その径方向全体に亘ってリベット部材９１０の鍔部９１１と封口板１２０との間で圧縮されるため、リベット部材９１０の寸法のばらつきに影響されず、ワッシャ部材９３０を周方向に均一に圧縮することができる。また、圧縮前の状態において中央孔の片側（図３に示すワッシャ部材９３０の２つの断面のうちの片側）に位置するワッシャ部材９３０の断面積を０．０８ｍｍ²以上０．１４ｍｍ²以下程度とすることにより、リベット部材９１０を封口板１２０側に押圧する荷重を過度に大きくすることなくワッシャ部材９３０を十分に圧縮することができる。以上の結果として、ワッシャ部材９３０を適切に圧縮してシール性を確保することが可能である。

図９は、電解液の注液工程と封止部材のカシメ工程を示す図である。図９（ａ）に示すように、注液ノズル１０を用いて電池ケース１００内に電解液２００Ａが注液される（注液工程）。

電解液２００Ａの注液工程の後、封止部材９００のカシメ工程が実施される。図９（ｂ）に示すように、封口板１２０に封止部材９００が組み付けられる。このとき、封止部材９００のリベット部材９１０は、封口板１２０の電池ケース１００内に挿入される。封止部材９００上にカシメ治具２０が設けられる。カシメ治具２０は、ジョー２１と、ヘッド２２とを含む。

図９（ｃ）に示すように、ヘッド２２内に設けられたジョー２１により、封止部材９００のマンドレル部材９２０が保持される。この状態から、ジョー２１が図中上側に向かって引き上げられる。マンドレル部材９２０を引き上げるとき、リベット部材９１０は、カシメ治具２０の先端により図中下側に向かって押圧される。

これにより、図９（ｄ）に示すように、リベット部材９１０が封口板１２０にカシメ固定され、マンドレル部材９２０はリベット部材９１０の内部において切断される。また、ワッシャ部材９３０が押圧され、リベット部材９１０と封口板１２０との間がワッシャ部材９３０によりシールされる。

ワッシャ部材９３０は、圧縮前の状態において０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下程度の厚み（第１の厚み）を有することが好ましい。リベット部材９１０と封口板１２０との間で圧縮されたワッシャ部材９３０の厚み（第２の厚み）は、圧縮前の厚み（第１の厚み）の３５％以上６５％以下程度の厚みとなる。

図１０は、圧縮前のワッシャ部材９３０の平面形状の一例を示す図である。ワッシャ部材９３０は、図１０に示すような円環のリング形状を有してもよいし、図１１，図１２に示すような多角形のリング形状を有してもよい。また、図１３に示すように、周方向の一部（図１３の例では略四角形形状の角部）が内側に折れ曲がるようなリング形状を有してもよい。

上述のとおり、圧縮前の状態において、ワッシャ部材９３０の断面積が０．０８ｍｍ²以上０．１４ｍｍ²以下程度であるとすると、圧縮前のワッシャ部材９３０の厚みが０．３ｍｍ程度の場合には、リング状のワッシャ部材９３０の幅（図１０～図１３中のＢ）は０．３ｍｍ以上０．４５ｍｍ以下程度であり、圧縮前のワッシャ部材９３０の厚みが０．５ｍｍ程度の場合には、リング状のワッシャ部材９３０の幅（図１０～図１３中のＢ）は０．２ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下程度である。

ワッシャ部材９３０の機械的特性は、シール性を考慮しながら調整される。たとえば、ＰＦＡ製のワッシャ部材９３０を用いる場合には、引張強さは２５ＭＰａ以上３５ＭＰａ以下程度であり、伸び率は３００％以上３５０％以下程度であり、圧縮強さは１５ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下程度であり、ロックウエル硬さ（Ｒスケール）はＲ５０程度であり、ショアー硬さ（Ｄスケール）はＤ６２以上Ｄ６５程度であり、曲げ弾性率は５４０ＭＰａ以上６４０ＭＰａ以下程度であり、引張弾性率は３１０ＭＰａ以上３５０ＭＰａ以下程度であることが好ましい。ただし、ワッシャ部材９３０の物性は、これらの範囲に限定されない。

他方、ポリプロピレン製のワッシャ部材９３０を用いる場合には、引張強さは３１ＭＰａ以上４１ＭＰａ以下程度であり、伸び率は１００％以上６００％以下程度であり、圧縮強さは３８ＭＰａ以上５５ＭＰａ以下程度であり、アイゾット衝撃強さは２２Ｊ／ｍ以上７５Ｊ／ｍ以下程度であり、ロックウエル硬さ（Ｒスケール）はＲ８５以上Ｒ１１０以下程度であり、曲げ弾性率は４１ＭＰａ以上５５ＭＰａ以下程度であり、引張弾性率は１１００ＭＰａ以上１６００ＭＰａ以下程度であることが好ましい。ただし、ワッシャ部材９３０の物性は、これらの範囲に限定されない。

以上、本技術の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本技術の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１角形二次電池、１０注液ノズル、２０カシメ治具、２１ジョー、２２ヘッド、１００電池ケース、１１０角形外装体、１２０封口板、１２１電解液注液孔、１２２ガス排出弁、２００電極体、２００Ａ電解液、２１０Ａ正極タブ、２１０Ｂ負極タブ、３００絶縁シート、４００正極端子、４１０外部側絶縁部材、５００負極端子、５１０外部側絶縁部材、６００正極集電部材、６１０第１正極集電体、６２０第２正極集電体、６３０絶縁部材、７００負極集電部材、７１０第１負極集電体、７２０第２負極集電体、７３０絶縁部材、８００カバー部材、９００，９００Ａ封止部材、９１０，９１０Ａリベット部材、９１１，９１１Ａ鍔部、９１２，９１２Ａ軸部、９１３，９１３Ａカシメ固定部、９１４Ａリブ、９１５ＡＲ部、９１５Ａ１設計線、９１５Ａ２現実線、９１６Ａ倒れ込み部、９２０，９２０Ａマンドレル部材、９２１，９２１Ａ係合部、９２２，９２２Ａ切断部、９３０，９３０Ａワッシャ部材。

Claims

電極体および電解液と、
前記電極体および前記電解液を収納し、第１の径を有する注液孔を含む外装缶と、
前記外装缶にカシメ固定され、前記注液孔を封止する封止部材とを備え、
前記封止部材は、
前記注液孔に挿入される軸部と、前記外装缶の外側において前記軸部の径方向外側に位置する鍔部とを有するリベット部材と、
前記鍔部と前記外装缶との間において圧縮され、前記第１の径以上の第２の径を有する中央孔を囲むリング状のワッシャ部材とを含み、
前記ワッシャ部材は、圧縮前の状態において、前記中央孔の片側に０．０８ｍｍ²以上０．１４ｍｍ²以下の断面積を有し、
前記ワッシャ部材は、前記ワッシャ部材の径方向全体に亘って圧縮される、電池。
前記ワッシャ部材は、圧縮前の状態において第１の厚みを有し、前記鍔部と前記外装缶との間において前記第１の厚みの３５％以上６５％以下の第２の厚みにまで圧縮される、請求項１に記載の電池。
前記ワッシャ部材は、圧縮前の状態において、０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の厚みを有する、請求項１または請求項２に記載の電池。
前記ワッシャ部材は、フッ素樹脂からなる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電池。
前記外装缶は、開口を有し、前記電極体を収納する本体と、前記本体に結合される封口板とを含み、前記注液孔は前記封口板に形成される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電池。
前記電池はリチウムイオン電池であり、前記外装缶は角形形状を有する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電池。