JP3600107B2

JP3600107B2 - 密閉型電池およびその封栓方法

Info

Publication number: JP3600107B2
Application number: JP2000064598A
Authority: JP
Inventors: 正史大西; 兼人増本; 恭介宮田; 宏彰吉野; 義弘田原
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2000-03-09
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2020-03-09
Also published as: JP2001256965A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電要素を収容する電池ケースの開口端を封口板により閉塞し、その封口板の注液孔から電解液を注入したのちに注液孔を液密に封止した密閉型電池およびその密閉型電池の注液孔を封栓する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、携帯用電子機器の電源として用いられる二次電池は、高エネルギ密度を有していることが要求されると同時に、軽量化や小型化のためにスペース使用効率のよい形状が要求されている。これらの要求を満たす電池として、図６に示すようなアルミニウム製の角形電池ケース２を用いたリチウムイオン二次電池が脚光を浴びている。このリチウムイオン二次電池１では、電池ケース２内に非水電解液（有機溶媒系電解液）を収容する構造上から長期にわたって安定した密閉性が要求されるため、有底筒状の電池ケース２内に電極群を収容したのちに、その電池ケース２の開口部３に封口板４をレーザー溶接することにより、開口部３の確実な閉塞が施される。その電池ケース２内には、電極群と共に発電要素を構成する電解液が、封口板４に形成された注液孔７から所要量だけ注入され、そののちに、注液孔７が封栓される。この注液孔７の封栓に際しては、従来から種々の手段が提案されており、その代表的なものを以下に列挙して説明する。
【０００３】
図７（ａ），（ｂ）は従来の第１の封栓手段（特開平１１−１１１２４５号公報参照）による封栓手順を示した断面図である。この封栓手段は、注液孔７内に嵌入される嵌入部８ａとこの嵌入部８ａよりも大きな径を有する鍔部８ｂとが同一素材で一体形成されてなる封栓部材８を用いて注液孔７を封栓するものである。すなわち、電解液が注入されたのちの注液孔７は、封栓部材８の嵌入部８ａが同図（ａ）に矢印で示すように嵌入されることによって封栓され、これにより位置決めされた封栓部材８は、鍔部８ｂの周囲と封口板４の間にレーザービーム９を照射してレーザー溶接されることによって封口板４に固定され、注液孔７が確実、且つ強固に封栓される。
【０００４】
図８は従来の第２の封栓手段（特開平１１−３１７２４０号公報参照）を示す断面図であり、この封栓手段は、封口板４の注液孔７の孔周面に雌ねじ部を形成して、電解液の注入後に、ピッチタール系のシール剤１０を塗布したワッシャ兼パッキン１１を、封口板４の上面における注液孔７の孔縁部に載置状態に配置し、封栓部材１２の雄ねじ部１２ａを、ワッシャ兼パッキン１１に挿通させて注液孔７の雌ねじ部に螺入してねじ込む手順で行われる。この封栓手段は、レーザー溶接を行うことなく、ワッシャ兼パッキン１１として面精度の低いものを用い、且つ封栓部材１２を低いトルク値で締付けながらも高い密閉性を得ることを目的としたものである。
【０００５】
図９は従来の第３の封栓手段（特開平１１−１４９９１５号公報参照）を示す断面図である。この封栓手段は、封口板４に、その一部を深絞り加工して下方に向かい径が小さくなるラッパ状の円筒状部１４を一体形成して、この円筒状部１４の内部を注液孔１３とし、この注液孔１３に、これに嵌合できる逆円錐形状となった封栓部材１７を嵌入したのちに、円筒状部１４と封栓部材１７との間の上端部分を溶接や半田付けなどにより互いに接合する手順で行われる。この封栓手段は、注液孔１３の封栓を容易、且つ安全な作業で行いながらも接合部１８によって確実で強固な封栓を行い得ることを目的としたものである。
【０００６】
図１０は従来の第４の封栓手段を示す断面図である。この封栓手段は、電解液の注入が終了したのちの注液孔７を、弾性を有する封止部材１９を変形させながら圧入して仮封栓し、その状態で平板状の封栓部材２０を封口板４における注液孔７に対し閉塞状態に載置して、この封栓部材２０の周囲と封口板４の間にレーザービーム９を照射してレーザー溶接することにより、封栓部材２０を封口板４に固定して、注液孔７が確実、且つ強固に封栓される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の封栓手段によって注液孔７，１３が封栓された密閉型電池では、これを使用して充放電を繰り返す過程においてガスが発生するが、電池ケース２の開口部３は封口板４で確実に閉塞され、且つ封口板４の注液孔７，１３は上述したように封栓部材８，１２，１７，２０で確実に封栓されているから、電池ケース２は、発生ガスによる内圧の上昇に伴って外方に向け膨らみ出るという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたもので、ガスが内部発生しても電池ケースが外方に膨らみ出ることのない密閉型電池およびそのような密閉型電池を構成できるように電解液の注液孔を封栓することのできる封栓方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の密閉型電池の封栓方法は、アルミニウム製角形の電池ケース内に電極群を収納する工程と、前記電池ケースの開口部を封口板の固着により閉塞する工程と、前記封口板の注液孔から所定量の電解液を前記電池ケース内に注入する工程と、２５〜９０ｋＰａの範囲内の減圧雰囲気中において前記注液孔に封栓部材を嵌め込んで前記注液孔を封止する仮封栓工程と、大気中において前記封栓部材の周囲を封口板に固定する本封栓工程とを備えていることを特徴としている。
【００１０】
本発明方法により封栓された密閉型電池では、初期電池内圧が２５〜９０ｋＰａに設定されてアルミニウム製角形の電池ケースが僅かに内方に向け屈撓する状態に凹んでいるため、使用に伴いガスが発生したとき、その電池内圧は、予め内方に凹んでいた電池ケースを元の状態に戻す程度であって、従来のように電池ケースを外方に膨らませる程度にまで上昇しないよう抑制される。しかも、この密閉型電池は、電池ケースが僅かに内方に向け凹んでいることにより、内部に収容している電極群が渦巻状のものである場合に、その緊縛度を高めて電池特性の向上を図れる利点がある。なお、電池ケース内に注入された電解液は、２５ｋＰａ未満では電解液の蒸発による成分の変質が生じる一方、９０ｋＰａを越えると充分な効果が得られない。
【００１１】
本発明の密閉型電池は、上記発明の方法で封栓され、電池ケースが予め内側に凹んでいることを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、電池ケース内に注液孔から電解液を注入したのちに、減圧雰囲気中において前記注液孔に封栓部材を嵌め込んで前記注液孔を封止する仮封栓工程と、大気中において前記封栓部材の周囲を封口板に固定する本封栓工程とを備えているので、例えば減圧室内において仮封栓および本封栓を共に行う場合のような大型でコスト高となる設備を必要とせずに、例えば減圧ボックス内で仮封栓を行い、レーザー溶接装置が常設されている大気中で本封栓を行えるので、容易、且つ低コストで実用化することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施の形態に係る密閉型電池の封栓方法を具現化した仮封栓工程および本封栓工程をそれぞれ示す断面図であり、同図において、図４と同一若しくは同等のものには同一の符号を付してある。（ａ）に示す仮封栓工程では、例えばリチウムイオン二次電池である密閉型電池１が以下のような工程で組み立てられて減圧ボックス３１内に挿入される。
【００１７】
すなわち、上端に開口部３を有するアルミニウム製有底角筒状の電池ケース２の内底面上には、正極リード２１の先端部が溶接により接続され、この正極リード２１を正極側絶縁板２２で電気絶縁状態に仕切った電池ケース２の内部には電極群２３が挿入され、さらに、電極群２３の上端部は負極側絶縁板２４で電気絶縁される。一方、上記とは別工程において、電解液の注液孔７を側部に有する封口板４には、その中央部の取付孔２７に、絶縁ガスケット２８を介して電気絶縁した状態で負極端子２９が取り付けられる。この負極端子２９の下面には、電極群２３から負極側絶縁板２４の挿通孔２４ａを通じて導出された負極リード３０が溶接により接続される。この封口板４は、電池ケース２の開口部３の所定位置に嵌入して、その周囲を電池ケース２の内周面に溶接することによって固着される。そののち、電池ケース２内には、封口板４の注液孔７から所定量の電解液（図示せず）が注入され、この電解液とこれが含浸した電極群２３とによって発電要素が構成される。
【００１８】
続いて、上述のように電極群２３および電解液からなる発電要素が電池ケース２内に収容された状態の電池１は、（ａ）に示すように、減圧ボックス３１内に挿入されて、吸気源３２の駆動により減圧ボックス３１の内部空間が２５〜９０ｋＰａの範囲に減圧された雰囲気中において、封栓部材３３におけるゴムなどの弾性体からなる封止部３３ａが矢印で示すように注液孔７に嵌入されて、仮封栓される。このとき、封栓部材３３における封止部３３ａの端部に固着されているアルミニウム箔またはアルミニウム板からなる固定部３３ｂは封口板４における注液孔７の孔縁部に接触される。この仮封栓は、弾性体からなる封止部３３ａが変形することによって容易に行える。この仮封栓された時点での電池１は、減圧ボックス３１内と同じ２５〜９０ｋＰａの内部圧力に設定して仮封栓されることにより、電池ケース２が僅かに内方に向け屈撓する状態に凹む。
【００１９】
上記の減圧雰囲気中で仮封栓した電池１は、減圧ボックス３１から大気中に出したのちに、（ｂ）に示すように、封栓部材３３の固定部３３ｂの周囲と封口板４との間にレーザービーム９を照射してレーザー溶接することにより、封栓部材３３を封口板４に固定して、注液孔７が確実、且つ強固に封栓される。なお、封栓部材３３の固定部３３ｂは、減圧ボックス３１内での仮封栓時に封口板４の上面に密着していなくてもよく、大気中に出したときの電池ケース２内に対する圧力差によって封止部３３ａが電池ケース２内に引き込まれることにより、封口板４の上面に確実に密着する。
【００２０】
上記の工程を経て注液孔７が封栓されることによって出来上がった密閉型電池１は、初期電池内圧が２５〜９０ｋＰａに設定されて電池ケース２が僅かに内方に向け屈撓する状態に凹んでいる。そのため、使用に伴いガスが発生したとき、その電池内圧は、予め内方に凹んでいた電池ケース２を元の状態に戻す程度であって、従来のように電池ケース２を外方に膨らませる程度にまで上昇しないよう抑制される。しかも、この密閉型電池１は、電池ケース２が僅かに内方に向け凹んでいることにより、電極群２３が渦巻状のものである場合にその緊縛度を高めて電池特性の向上を図れる利点がある。また、電池１内の非水電解液は、上記の２５ｋＰａ以上の内部圧力に設定すれば、その成分に変質が生じないことが実験の結果において確認できた。
【００２１】
上述のような密閉型電池１は、例えば、減圧室内において仮封栓および本封栓を共に行うようにしても得ることができる。但し、その場合には、減圧室内にレーザー溶接装置を設置する設備が必要となり、設備が大型化してコスト高となる。したがって、実用化に際しては、上記実施の形態のように減圧ボックス３１内または減圧室内での所要の減圧雰囲気中で注液孔７の仮封栓を行ったのちに、大気中でレーザー溶接による本封栓を行う方がより現実的である。
【００２２】
図２（ａ），（ｂ）は本発明の第２の実施の形態に係る密閉型電池１の封栓方法を具現化した仮封栓工程および本封栓工程をそれぞれ示す要部の断面図であり、同図において、図１と同一若しくは同等のものには同一の符号を付してある。この実施の形態では、第１の実施の形態の一体型の封栓部材３３における封止部３３ａおよび固定部３３ｂとそれぞれ同等の封止材３７と固定材３８とを個別に設けてなる封栓部材３４を用いる。
【００２３】
仮封栓工程では、（ａ）に図示していないが、上述した減圧範囲の減圧雰囲気中においてゴムなどの弾性体からなる封止材３７を矢印で示すように注液孔７内に嵌め込んで注液孔７を封止する。本封栓工程は、封止材３７で注液孔７を封止した電池１を大気中に取り出して、アルミニュウム板などからなる固定材３８を注液孔７の孔縁部を覆う配置で封口板４の上面に載置し、その固定材３８の周囲と封口板４との間にレーザービーム９を照射してレーザー溶接することにより、固定材３８を封口板４に固定する。この実施の形態の封栓方法では、第１の実施の形態で説明したと同様の効果を得られるとともに、第１の実施の形態と同様の密閉型電池１を得られる。
【００２４】
図３（ａ）〜（ｃ）は上記第２の実施の形態の封止材３７として好適に用いることのできる封止材３７Ａ〜３７Ｃを示したものであり、何れの封止材３７Ａ〜３７Ｃにおいてもテーパー面の形成によって注液孔７内に容易に嵌まり込むようにしたものである。（ａ）の封止材３７Ａは、注液孔７に嵌合する円柱状体における嵌め込み方向の先端側半部にテーパー面を形成したものである。（ｂ）の封止材３７Ｂは、上端部のみを注液孔７の封止が可能な円板形状として、その円板状部分から下方に向け徐々に径が小さくなる円柱状部分を設けた形状になっている。（ｃ）の封止材３７Ｃは、注液孔７に封止状態に嵌まり込む円柱状部分の下端部外周にのみテーパー面を設けたものである。
【００２５】
図４（ａ），（ｂ）は本発明の第３の実施の形態に係る密閉型電池１の封栓方法を具現化した仮封栓工程および本封栓工程をそれぞれ示す要部の断面図であり、同図において、図１および図２と同一若しくは同等のものには同一の符号を付してある。この実施の形態で用いる封栓部材３９は、例えばポリイミドなどの樹脂製テープからなる封止材４０と、例えばアルミニウム平板などの金属製固定材４１とを備えて構成されている。
【００２６】
（ａ）の仮封栓工程では、図示していないが、第１の実施の形態で説明した減圧範囲の減圧雰囲気中において、封止材４０を封口板４における注液孔７の孔縁部に貼着して注液孔７を閉塞する。本封栓工程は、封止材４０で注液孔７を封止した電池１を大気中に取り出して、固定材４１を注液孔７の孔縁部を覆う配置で封止材４０および封口板４の上面に載置し、その固定材４１の周囲と封口板４との間にレーザービーム９を照射してレーザー溶接することにより、固定材４１を封口板４に固定する。この実施の形態の封栓方法では、第１の形態で説明したと同様の効果を得られるとともに、第１の実施の形態と同様の密閉型電池１を得られる。なお、仮封栓工程では、封止材４０を貼着することなく封口板４の上面に単に載置するのみで注液孔７を封止するようにしてもよい。その場合、封止材４０は、大気中に取り出したときに電池ケース２内と大気との圧力差で封口板４の上面に確実に密着し、注液孔７の封止を確実に保持した状態で本封栓工程を実施できる。
【００２７】
図５（ａ），（ｂ）は本発明の第４の実施の形態に係る密閉型電池１の封栓方法を具現化した仮封栓工程および本封栓工程をそれぞれ示す要部の断面図であり、同図において、図１、図２および図４と同一若しくは同等のものには同一の符号を付してある。この実施の形態では、注液孔７の孔周面に（ａ）に示すように雌ねじ部４２を形成し、封栓部材４３として雌ねじ部４２に噛合するねじを用いる。
【００２８】
（ａ）の仮封栓工程では、図示していないが、第１の実施の形態で説明した減圧範囲の減圧雰囲気中において、封栓部材４３をワッシャ４４を介し注液孔７の雌ねじ部４２に螺入して締付けることにより、注液孔７を確実な封止状態で閉塞する。本封栓工程は、封栓部材４３で注液孔７を封止した電池１を大気中に取り出して、その封栓部材４３の周囲と封口板４との間にレーザービーム９を照射してレーザー溶接することにより、封栓部材４３を封口板４に固定する。この実施の形態の封栓方法では、第１の実施の形態で説明したと同様の効果を得られるのに加えて、仮封栓工程において注液孔７を一層確実に封止することができ、第１の実施の形態と同様の密閉型電池１を得られる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の密閉型電池の注液孔の封栓方法によれば、２５〜９０ｋＰａの範囲内の減圧雰囲気中においてアルミニウム製角形の電池ケースの注液孔に封栓部材を嵌め込んで注液孔を封栓するようにしたので、初期電池内圧が２５〜９０ｋＰａに設定された密閉型電池を確実に得ることができる。そして本発明方法により封栓された電池ケースは、僅かに内方に向け屈撓する状態に凹んでいる。そのため、使用に伴いガスが発生したとき、その電池内圧は、予め内方に凹んでいた電池ケースを元の状態に戻す程度であって、従来のように電池ケースを外方に膨らませる程度にまで上昇しないよう抑制され、しかも、内部に収容している電極群が渦巻状のものである場合に、その緊縛度を高めて電池特性の向上を図れる利点もある。また、電池ケース内に注入された電解液は、２５ｋＰａ以上の内部圧力に設定したことにより、成分に変質が生じることがない。
【００３０】
さらに、注液孔の封栓を、減圧雰囲気中において注液孔に封栓部材を嵌め込んで注液孔を封止する仮封栓工程と、大気中において封栓部材の周囲を封口板に固定する本封栓工程とを経て行うようにしているので、例えば減圧室内において仮封栓および本封栓を共に行う場合のような大型でコスト高となる設備を必要とせずに、例えば減圧ボックス内で仮封栓を行い、レーザー溶接装置が常設されている大気中で本封栓を行えるので、容易、且つ低コストで実用化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施の形態に係る密閉型電池の注液孔の封栓方法を具現化した仮封栓工程および本封栓工程をそれぞれ示す断面図。
【図２】（ａ），（ｂ）は本発明の第２の実施の形態に係る密閉型電池の注液孔の封栓方法を具現化した仮封栓工程および本封栓工程をそれぞれ示す要部の断面図。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は同上の封栓方法に用いる３種の封止材を示す斜視図、側面図および側面図。
【図４】（ａ），（ｂ）は本発明の第３の実施の形態に係る密閉型電池の注液孔の封栓方法を具現化した仮封栓工程および本封栓工程をそれぞれ示す要部の断面図。
【図５】（ａ），（ｂ）は本発明の第４の実施の形態に係る密閉型電池の注液孔の封栓方法を具現化した仮封栓工程および本封栓工程をそれぞれ示す要部の断面図。
【図６】本発明の適用対象となるリチウムイオン二次電池を示す封栓前の状態の斜視図。
【図７】（ａ），（ｂ）は従来の第１の封栓手段による注液孔の封栓手順を示す断面図。
【図８】従来の第２の封栓手段を示す断面図。
【図９】従来の第３の封栓手段を示す断面図。
【図１０】従来の第４の封栓手段を示す断面図。
【符号の説明】
１リチウムイオン二次電池（密閉型電池）
２電池ケース
３開口部
４封口板
７注液孔
２３電極群
３３，３４，３９，４３封栓部材
３３ａ封止部
３３ｂ固定部
３７，３７Ａ〜３７Ｃ，４０封止材（封止部）
３８，４１固定材（固定部）

Claims

アルミニウム製角形の電池ケース内に電極群を収納する工程と、
前記電池ケースの開口部を封口板の固着により閉塞する工程と、
前記封口板の注液孔から所定量の電解液を前記電池ケース内に注入する工程と、
２５〜９０ｋＰａの範囲内の減圧雰囲気中において前記注液孔に封栓部材を嵌め込んで前記注液孔を封止する仮封栓工程と、
大気中において前記封栓部材の周囲を封口板に固定する本封栓工程とを備えていることを特徴とする密閉型電池の封栓方法。
封栓部材はゴム弾性体でテーパー面を有する封止部と金属からなる固定部とで構成され、仮封栓工程で前記封止部を前記注液孔に嵌め込み、本封栓工程で前記固定部の周囲をレーザー溶接によって封口板に固定することを特徴とする請求項１記載の密閉型電池の封栓方法。
請求項１または請求項２記載の方法で封栓され、電池ケースが予め内側に凹んでいることを特徴とする密閉型電池。