JP3643693B2

JP3643693B2 - 密閉型電池の製造方法

Info

Publication number: JP3643693B2
Application number: JP08580898A
Authority: JP
Inventors: 拓磨森下; 雅統大木; 章黒田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2018-03-31
Also published as: JPH11283598A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部に発電要素が収納された有底筒状の外装缶と、この外装缶の開口部を封口する封口体とを有し、この封口体の一部を構成する弁キャップと、上記封口体の内部に存在すると共に電池内圧が異常に上昇した際に上記発電要素と外部端子との接触を絶ってそれ以上の充電を中止させる防爆弁とが共にアルミニウム材料から成り、且つ上記弁キャップと上記防爆弁とが直接的に或いはアルミニウム材料から成る金属箔を介して抵抗溶接法にて溶接される密閉型電池の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話等の電子機器には非水電解質電池が用いられるようになってきたが、この場合、電池の重量エネルギー密度の向上等を図るべく、比重の小さなアルミニウム又はアルミニウム合金（以下、アルミニウム材料と総称する）が電池材料として用いられるようになってきた。
このため、封口体の一部を構成する弁キャップ、及び封口体の内部に存在すると共に電池内圧が異常に上昇した際に上記発電要素と外部端子との接触を絶ってそれ以上の充電を中止させる防爆弁等についてもアルミニウム材料から構成されるようになってきた。
【０００３】
ところで、上記防爆弁は上記弁キャップと直接的に或いはアルミニウム材料から成る金属箔（以下、弁キャップ及び金属箔を弁キャップ等と総称する）を介して溶接されるのであるが、この際、超音波溶接法又はレーザー溶接法を用いると電池の製造コストが高くなり、しかも超音波溶接法を用いた場合には、溶接可能な範囲が狭くて溶接条件の設定が困難であり、しかも過剰に加圧されたり過剰な振動エネルギーを加えられたりすることにより被溶接材料にクラックが発生する等の課題を有していた。
【０００４】
そこで、上記のような問題を生じない抵抗溶接法により、上記防爆弁と上記弁キャップ等とを溶接するようなことも考えられる。しかしながら、アルミニウム材料は抵抗が小さいため、低電流では溶接することができない一方、高電流で溶接すると爆火、ピンホールの発生又は電極棒へのアルミニウム材料の付着或いは磨耗等の課題が生じるため、アルミニウム材料同士を抵抗溶接法にて溶接するのは困難であるという課題を有していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の事情に鑑みなされたものであって、防爆弁と弁キャップ等とを抵抗溶接法にて確実に溶接できることにより、製造コストの低減と電池の信頼性の向上とを図ることができる密閉型電池の製造方法の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための第１の態様の発明は、内部に発電要素が収納された有底筒状の外装缶と、この外装缶の開口部を封口する封口体とを有し、この封口体の一部を構成する弁キャップと、上記封口体の内部に存在すると共に電池内圧が異常に上昇した際に上記発電要素と外部端子との接触を絶ってそれ以上の充電を中止させる防爆弁とが共にアルミニウム材料から成り、且つ上記弁キャップと上記防爆弁とが直接的に或いはアルミニウム材料から成る金属箔を介して抵抗溶接法にて溶接される密閉型電池の製造方法であって、上記抵抗溶接法に用いられる電極棒と上記防爆弁との間に、アルミニウム材料よりも固有抵抗が高くて導電性を有する金属片が介在された状態で抵抗溶接されることを特徴とする。
【０００７】
上記構成の如く、電極棒と防爆弁との間にアルミニウム材料よりも固有抵抗が高くて導電性を有する金属片が介在された状態で抵抗溶接すれば、金属片はアルミニウム材料よりも固有抵抗が高いことに起因して、低電流でエネルギーが発生することになる。そして、このエネルギーは防爆弁を介して防爆弁と弁キャップ等との界面に伝播され、これにより両者が溶接されることになる。このように、電極棒とアルミニウム材料から成る防爆弁とが直接接触しない状態で、しかも低電流で両者を溶接することができるので、爆火、ピンホールの発生又は電極棒へのアルミニウム材料の付着或いは磨耗等の問題を生じることなく溶接することができる。
【０００８】
また、第２の態様の発明は、上記第１の態様の発明において、上記金属片が、上記電極棒とは同一材質ではない材質から成ることを特徴とする。このような構成であれば、金属片と電極棒とが溶着することがないので、一層円滑に抵抗溶接を行うことができる。
【０００９】
また、第３の態様の発明は、上記第１又は２の態様の発明において、上記金属片がアルミニウム材料より融点が高いものから成ることを特徴とする。このように、金属片がアルミニウム材料より融点が高ければ、金属片が防爆弁に溶接されるのを抑制することができる。したがって、電池重量の増大を招くことが無いので、電池のエネルギー密度の低下を防止できる。
また、上記第４の態様の発明は、上記第３の態様の発明において、上記金属片がニッケル又は鉄から成ることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図１〜図３に基づいて、以下に説明する。
図１は本発明に係るリチウムイオン電池の分解斜視図、図２は電池の封口体の拡大半断面図、図３は溶接時の状態を示す拡大断面図である。
【００１１】
図１に示すように、本発明のリチウムイオン電池は、有底円筒状の外装缶５を有しており、この外装缶５内には、アルミニウムから成る芯体にＬｉＣｏＯ₂を主体とする活物質層が形成された正極１と、銅から成る芯体に黒鉛を主体とする活物質層が形成された負極２と、これら両電極１・２を離間するセパレータ３とから成る渦巻き状の発電要素４が収納されている。また、上記外装缶５内には、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とが体積比で４：６の割合で混合された混合溶媒に、ＬｉＰＦ₆が１Ｍ（モル／リットル）の割合で溶解された電解液が注入されている。更に、上記外装缶５の開口部には封口体６がかしめ固定されており、これによって電池が封口される。
【００１２】
ここで、上記封口体６は、図２に示すように、アルミニウム合金から成り且つガス抜き穴２３を有する弁キャップ９を有している。この弁キャップ９上には、アルミニウム合金から成ると共に両端が弁キャップ９に溶接された金属箔１１が設けられており、この金属箔１１上には、アルミニウム合金から成ると共に略半円球状を成す防爆弁８が溶接されている。この防爆弁８は、封口体内部２０と電池本体部２１とを区切るものであり、通常状態では、弁キャップ９を介して正極集電タブ１０と電気的に接続された金属箔１１と溶接されている一方（図中、実線で示す）、過充電時等の異常時に電池内部の圧力が所定値（１０〜２０ｋｇｆ／ｃｍ²）以上になった場合には、金属箔１１から剥がれて、これにより充電が中止される（図中、二点鎖線で示す）。また、上記防爆弁８の端部上には、順に、ＰＴＣ素子１２と、ガス抜き穴２４が設けられた正極端子７とが設けられている。また、前記弁キャップ９はポリプロピレン（ＰＰ）から成る絶縁性の外部ガスケット１４を介して前記外装缶５にかしめ固定されて、これにより電池内部が封止される一方、上記防爆弁９、上記ＰＴＣ素子１２、及び上記正極端子７はＰＰから成る絶縁性の内部ガスケット１５を介して弁キャップ９にかしめ固定されて、これにより封口体内部２０が封止される。
【００１３】
更に、前記外装缶５には、負極２と電気的に接続された負極集電タブ１３が接続され、且つ前記発電要素４の上下両端部近傍には、絶縁板１６・１７が配置されている。
【００１４】
ここで、上記構造の非水電解質電池を、以下のようにして作製した。
先ず、正極活物質としてのＬｉＣｏＯ₂を９０重量％と、導電剤としてのカーボンブラックを５重量％と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを５重量％と、溶剤としてのＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶液とを混合してスラリーを調製した後、正極集電タブ１０の溶接部位を除き、上記スラリーを正極集電体としてのアルミニウム箔（厚み：２０μｍ）の両面に塗布した。その後、溶剤を乾燥し、ローラーで所定の厚みにまで圧縮した後、所定の幅及び長さになるように切断し、更にアルミニウム製の正極集電タブ１０（幅：３ｍｍ）を溶接した。
【００１５】
これと並行して、負極活物質としての黒鉛粉末を９５重量％と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを５重量％と、溶剤としてのＮＭＰ溶液とを混合してスラリーを調製した後、負極集電タブ１３の溶接部位を除き、上記スラリーを負極集電体としての銅箔（厚み：１６μｍ）の両面に塗布した。その後、溶剤を乾燥し、ローラーで所定の厚みにまで圧縮した後、所定の幅及び長さになるように切断し、更にニッケル製の負極集電タブ１３（幅：３ｍｍ）を溶接した。
【００１６】
次に、上記正極１と負極２とをポリエチレン製微多孔膜から成るセパレータ３（厚み：２５μｍ）を介して巻回して発電要素４を作製した後、この発電要素４を絶縁板１６と共に外装缶５内に挿入し、更に負極集電タブ１３を外装缶５の缶底に溶接した。
その後、図３に示すように、先ず、弁キャップ９上に金属箔１１を載置し、金属箔１１の両端（図中Ａ１、Ａ２で示す）を、レーザー溶接法を用いて弁キャップに溶接した。次に、一方の電極を兼ねる基台２２上に、金属箔１１が溶接された弁キャップ９を載置し、更に金属箔１１の表面に防爆弁８とニッケルから成る金属片２４（厚み：０．１ｍｍ）とを順に載置した。次いで、他方の電極となる電極棒２３の先端部を上記金属片２４に当接し、更に電流を流すことにより、金属箔１１と防爆弁８とを抵抗溶接（図中Ｂで示す）した後、電極棒２３と金属片２４とを外した。
【００１７】
尚、上記抵抗溶接における溶接条件は、圧力１〜５ｋｇ、電流値０．５〜２ｋＡの範囲で行うのが望ましい。なぜなら、余り低い圧力及び電流値で抵抗溶接を行うと十分な溶接強度が得られない一方、余り高い圧力及び電流値で抵抗溶接を行うと爆火等の問題が生じるからである。
【００１８】
しかる後、正極集電タブ１０を封口板６に溶接すると共に、ＥＣとＤＭＣとが体積比で４：６の割合で混合された混合溶媒に、ＬｉＰＦ₆が１Ｍ（モル／リットル）の割合で溶解された電解液を外装缶５内に注入した後、封口板６を外装缶５の開口端部にかしめ固定することにより、円筒形の電池を作製した。
【００１９】
尚、上記実施の形態では、防爆弁８と金属箔１１とのみが溶接され、金属片２４と防爆弁８とは溶接されていないが、防爆弁８と金属箔１１とを溶接すると共に金属片２４と防爆弁８とを溶接するようにしても良い。但し、金属片２４と防爆弁８とを溶接すれば、金属片２４の重量分だけ電池重量も増大する。したがって、電池の重量エネルギー密度という観点からは金属片２４と防爆弁８とを溶接しないのが望ましい。
【００２０】
また、防爆弁８と弁キャップ９との間に金属箔１１を設けるような構造に限定するものではなく、防爆弁８と弁キャップ９とを抵抗溶接法にて直接溶接するようにしても良い。
更に、金属片２４の厚みは０．１ｍｍに限定するものではなく、０．０５〜０．５ｍｍであれば良く、特に、溶接部にエネルギーを円滑に伝達するためには０．０５〜０．１５ｍｍの範囲であるのが望ましい。
【００２１】
加えて、防爆弁８、弁キャップ９、及び金属箔１１はアルミニウム合金に限定するものではなく金属アルミニウムを用いても良く、また本発明は上記リチウムイオン電池に限定するものではなく、防爆弁８、弁キャップ９等にアルミニウム材料を用いた電池であれば適用しうることは勿論である。
但し、本発明を上記リチウムイオン電池に適用する場合には、正極材料としては上記ＬｉＣｏＯ₂の他、例えば、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄或いはこれらの複合体等が好適に用いられ、また負極材料としては上記炭素材料の他、リチウム金属、リチウム合金、或いは金属酸化物（スズ酸化物等）等が好適に用いられる。更に、電解液の溶媒としては上記のものに限らず、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、γ−ブチロラクトンなどの比較的比誘電率が高い溶液と、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、テトラヒドロフラン、１，２−ジメトキシエタン、１，３−ジオキソラン、２−メトキシテトラヒドロフラン、ジエチルエーテル等の低粘度低沸点溶媒とを適度な比率で混合した溶媒を用いることができる。また、電解液の電解質としては、上記ＬｉＰＦ₆の他、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃等を用いることができる。
【００２２】
【実施例】
〔実施例１〕
実施例１としては、上記発明の実施の形態に示す方法と同様の方法にて作製した電池を用いた。
このようにして作製した電池を、以下、本発明電池Ａ１と称する。
〔実施例２〕
金属片２４がニッケルではなく鉄から成るものを用いて電池を作製する他は、上記実施例１と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下、本発明電池Ａ２と称する。
【００２３】
〔比較例１〕
金属片２４を防爆弁８上に載置することなく電池を作製する他は、上記実施例１と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下、比較電池Ｘ１と称する。
〔比較例２〕
金属片２４を防爆弁８上に載置することなく、且つ金属箔１１と防爆弁８とをレーザー溶接法にて溶接する他は上記実施例１と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下、比較電池Ｘ２と称する。
【００２４】
〔実験〕
上記本発明電池Ａ１、Ａ２及び比較電池Ｘ１、Ｘ２について、溶接不良数とリーク数とについて調べたので、その結果を下記表１に示す。
【００２５】
【表１】

【００２６】
上記表１から明らかなように、比較電池Ｘ１、Ｘ２では溶接不良と電池のリークとが生じているのに対して、本発明電池Ａ１、Ａ２では溶接不良と電池のリークとが全く生じていないことが認められる。
したがって、アルミニウム材料同士を溶接する際に、アルミニウム材料より固有抵抗が高い金属片２４を介することなく両者を抵抗溶接法にて溶接したり、またレーザー溶接法にて両者を溶接するのは好ましくなく、金属片２４を介して両者を抵抗溶接法にて溶接するのが好ましことがわかる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、防爆弁と弁キャップ等とを抵抗溶接法にて確実に溶接できることにより、製造コストの低減と電池の信頼性の向上とを図ることができるといった優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に係るリチウムイオン電池の分解斜視図である。
【図２】図２は電池の封口体の拡大半断面図である。
【図３】図３は溶接時の状態を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
４：発電要素
５：外装缶
６：封口体
７：正極端子
８：防爆弁
９：弁キャップ
１１：金属箔
２３：電極棒
２４：金属片

Claims

内部に発電要素が収納された有底筒状の外装缶と、この外装缶の開口部を封口する封口体と、上記封口体の一部を構成する弁キャップと、上記封口体の内部に存在し電池内圧が異常に上昇した際に上記発電要素と外部端子との接触を絶ってそれ以上の充電を中止させる防爆弁と、を有し、
上記弁キャップと上記防爆弁とが共にアルミニウム材料から成り、直接的に或いはアルミニウム材料から成る金属箔を介して、電極棒を用いた抵抗溶接法にて溶接される密閉型電池の製造方法であって、
上記抵抗溶接法が、上記電極棒と上記防爆弁との間に、アルミニウム材料よりも融点と固有抵抗が高く、且つ上記電極棒と同一材質でない、導電性を有する金属片を介在させた状態で抵抗溶接する方法であることを特徴とする密閉型電池の製造方法。
上記金属片はニッケル又は鉄から成る、請求項１記載の密閉型電池の製造方法。