JP4111621B2 - 密閉式電池、密閉式電池用封止栓及び注液孔封止方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、密閉式電池に関し、特に電池外装缶の開口部を封口する封口蓋に開設された電解液の注液孔から電解液を注入し、注液孔を封止栓で封止することによって製造する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、携帯用の電話,AV機器,コンピュータといった携帯用機器に使用するバッテリ電源として、ニッケル−水素蓄電池、ニッケル−カドミウム蓄電池などのアルカリ蓄電池やリチウムイオン蓄電池をはじめとする密閉式電池が広く用いられている。
【0003】
密閉式電池の形状として、円筒形や角形などが一般的であるが、特に角形密閉式電池は、携帯機器に搭載するに際してスペース効率が優れている点で注目されている。
これらの密閉式電池では、金属製の板体からなる筒形の外装缶内に、正極・負極からなる電極体に電解液が含浸された発電素体が収納され、外装缶の開口部が封口蓋で封口されており、封口板と外装缶開口部との間は、電解液やガスが漏出するのを防止するよう封止されている。この封止は、機械式かしめ法で行われることも多いが、角形密閉式電池の場合などには、レーザ溶接による封止が多く行われている。
【0004】
また、電極体には電解液を含浸させる必要がある。その方法として、外装缶に電極体を収納した後に電解液を外装缶内に注入し、その後封口蓋で封口する方法も多くとられているが、封口蓋と外装缶開口部間の封止をレーザ溶接で行う場合、溶接するところに電解液が付着することによる封止不良が発生しやすい。
そこで、特開昭11−025936号公報に開示されているように、封口蓋に電解液を注入する1〜2mm程度の小さな注液孔を開設しておいて、外装缶の開口部を封口蓋で封口した後、注液孔からノズルで電解液を注入し、その後、注液孔に封止栓を填め込んでこれをレーザ溶接で封止する方法も知られており、この方法によれば、封口蓋と外装缶開口部との間をレーザ溶接する際に、まだ電解液が入っていないので、電解液付着による封止不良は発生しない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように封口蓋に設けた注液孔から電解液を注入して封止栓をレーザ溶接で封止する場合、封止栓の外周に沿って溶接をきっちりとする必要があるが、実際には、注液孔の縁に電解液が付着することによってスパッタ等が生じて溶接不良となり、封止の不良が発生することもしばしばある。
【0006】
また、注液孔の封止に用いられる封止栓は、注液孔のサイズに合わせてかなり小さいサイズであるため、取り扱いが不便であって、封止栓を注液孔に装着する際に供給不良が発生しやすいという生産上の問題もある。
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであって、密閉式電池を製造する上で、封口蓋に開設された注液孔を封止する際に発生する封止不良を低減すると共に、封止工程における生産性を向上させることのできる技術を提供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、密閉式電池用封口蓋に開設された注液孔を封止する際に用いる封止栓を、封口蓋の表面上に注液孔を蔽う状態で固着される支持部材と、弾性を有する材料で形成され注液孔に圧入された状態で支持部材によって支持されている圧入部材とで構成した。
【0008】
このようにして注液孔を封止すると、封止栓の圧入部材は、弾性部材で形成され、支持部材によって押えられて注液孔に圧入されるので、これによって注液孔の気密性は確保される。従って、押え部材と封口蓋との間では、固着すればよく、気密性は確保しなくてもよいので、容易に且つ確実に封止することができる。また、電解液が注液孔の縁に付着したとしても、押え部材を封口蓋に溶接法などで固着させるのを阻害することにはならない。
【0009】
従って、電解液が注液孔の縁に付着したとしても、それによる封止不良は回避される。
更に、この封止栓の場合、圧入部材の大きさは小さくても、支持部材の大きさは、容易に搬送できる適当な大きさに設定することができるので、実生産において封止栓を注液孔に装着する際における供給不良も低減することができる。
【0010】
上記のような封止栓は、支持部材として平板状のものを用い、これに弾性部材を接合することによって圧入部材を形成すれば、比較的簡単に製造することができる。
また、圧入部材の付け根部分の太さを、注液孔の太さよりも大きく形成しておけば、その部分でしっかりとシールがなされる。この場合、封口蓋における注液孔の周囲に、圧入部材の付け根部分が圧接されて填まり込むよう凹部を形成しておくことが好ましい。
【0011】
なお、支持部材の封口蓋ヘの固着は、支持部材の端部を封口蓋の縁端まで延ばし、その端部を溶接することによって、容易に固着することができる。また、封口蓋の外周端部を立ち上げて、支持部材の端部をそこに溶接すればより好ましい。
【0012】
【発明の実施の形態】
(電池の全体構成)
図1は、本実施の形態に係る角形密閉式電池の斜視図であり、図2は、図1におけるA−A’線断面図である。
この角形密閉式電池は、リチウム二次電池であって、有底角筒形の外装缶10の内部に、渦巻電極体(不図示)に非水電解液が含浸された発電素体が収納され、外装缶10の開口部を封口体30で封口した構造である。
【0013】
外装缶10は、Al−Mn系合金の板が有底角筒形に成形されたものである。このAl−Mn系合金は、アルミニウムを主成分としているため軽量であり、またマンガンが添加されていることにより、アルミニウム単体と比べて引っ張り強度が大きい。
図1に示すように、封口体30は、外装缶10の開口部に填まり込むよう成形された封口板31に、負極端子32が、ガスケット33を介して貫通して取り付けられた構成である。
【0014】
封口板31は、外装缶10の材料と同じAl−Mn系合金からなる板が、外装缶10の開口部と同じ長方形状に成形されたものであって、封口板31の外周部は、電池の外方に折り曲げられて立ち上げ部310が形成されている。そして、この立ち上げ部310と外装缶10の開口縁部11とが、レーザ溶接によって封止されている。
【0015】
外装缶10や封口板31の厚さは、容量をできるだけ大きくすることを考慮して、必要な強度を維持できる範囲内で、できるだけ薄く設定する。一般的には、外装缶10の厚さを0.5mm程度に設定し、封口板31には、負極端子32が装着されるときに変形しないように、その厚さを0.8mm程度に設定する。
負極端子32は、キャップ部320と軸部とからなるリベット状であって、キャップ部320の中には、安全弁機構が組み込まれている。
【0016】
負極端子32は、封口板31に形成された貫通孔に、ガスケット33を介して填め込まれ、その軸部の下端側がかしめ圧着されることによって封口板31に固定されている。
また、封口板31には、注液孔34が開設されており、この注液孔34は封止栓35によって封止されている。注液孔34や封止栓35の構成については後で詳述する。
【0017】
電池の内部構造については図示しないが、渦巻電極体は、負極板と正極板とがセパレータを介して積層され断面楕円状に卷回されたものである。
負極板は、層状カーボン(グラファイト粉末)が板状の芯体に塗着されたものであって、上記負極端子32とリード板を介して接続されている。一方、正極板は、正極活物質としてのリチウム含有酸化物(例えばコバルト酸リチウム)と導電剤(例えばアセチレンブラック)とからなる正極合剤が、板状の芯体に塗着されたものであって、正極端子兼用の外装缶10と直接接触して電気的に接続されている。
【0018】
電極体に含浸される非水電解液は、例えば、エチレンカーボネート及びジメチルカーボネートからなる混合溶媒に、溶質としてのLiPF6を溶解したものである。
電極体と封口板31との間には、絶縁性樹脂からなる絶縁スリーブが介挿され、電極体と封口体30との接触が防止されるようになっている。
【0019】
(注液孔及び封止栓の構成について)
注液孔34は、1〜2mm程度の小さな径を有する孔である。
図2に示すように、封止栓35は、平板状の押え板351と、押え板351の表面(図2では下面)から突出して設けられた突起部材352とから構成されている。この突起部材352は弾性材料で形成されている。
【0020】
そして、押え板351は、封口板31の外面側(図2では上面側)上において、注液孔34を蔽う位置に固着されており、突起部材352は、注液孔34に挿入され、押え板351によって注液孔34に押し込まれた状態で支持されている。
押え板351の材料としては、突起部材352を押えることができるよう剛性を持ち、封口板31との溶接が容易にできることが好ましく、その具体例として、封口板31と同じアルミ合金を挙げることができる。
【0021】
突起部材352に用いる弾性材料としては、非水電解液に対する耐性、並びに電池の発熱時に備えてある程度の耐熱性を有する材料が好ましく、その具体例としてEPゴムが挙げられる。
上記押え板351の詳しい形状は、電池の厚み方向(以下、「電池厚み方向」という。)に対して、封口板31の幅より若干小さい幅を有する長方形状の板である。そして、封口板31の表面上における注液孔を蔽う位置に、電池厚み方向両端の立ち上げ部310の間に填まり込んで配置されおり、押え板351の電池厚み方向両端部351aと立ち上げ部310との間がレーザ溶接されることによって固着されている。
【0022】
突起部材352の詳しい形状は、次のとおりである。
突起部材352は、先端部352aとベース部352bとからなるシルクハット状であって、先端部352aは、先端側の方が若干細くなっている円柱状であって、注液孔34とほぼ同等の径であるが、注液孔34に填まり込んでいる根元部分は、注液孔34の径より若干大きく設定されている。
【0023】
一方、ベース部352bは、先端部352aよりも径が大きく設定されている。そして、封口板31の外面側における注液孔34の周囲には、このベース部352bが填まり込むように切り欠き部341が穿設されており、ベース部352bの高さは切り欠き部341の深さより若干大きく設定されている。
突起部材352はこのような形状を有することにより、その先端部352aの根元部分の外周は、注液孔34の内面に圧接されてこの部分をシールし、ベース部352bの表面は、切り欠き部341に圧接されてこの部分をシールする。これによって、突起部材352と注液孔34との間は気密性よくシールされることになる。
【0024】
(電池の製造方法)
この角形密閉式電池の製造方法について説明する。
外装缶10は、Al−Mn系合金の平板に深絞り加工を施して有底角筒形に成型することにより作製することができる。
封口板31は、Al−Mn系合金の平板を用いて、これに絞り加工を施すことによって立ち上げ部310を形成すると共に、切り欠き部341に相当する凹みを鍛造加工で形成し、立ち上げ部310の端縁、負極端子用貫通孔及び注液孔34を打ち抜くことによって作製することができる。
【0025】
封口体30は、この封口板31の貫通孔に、ガスケット33及び負極端子32を填めこみ、かしめ圧着することにより作製することができる。
渦巻電極体は、リード板付きの帯状の負極板を帯状のセパレータで覆い、これと帯状の正極板と積層させ、卷回した後、断面が楕円形状となるよう偏平に押しつぶすことによって作製することができる。
【0026】
次に、封止栓35の製法について説明する。
押え板351は、アルミ合金板を所定の大きさに打ち抜いて作製する。そして、この押え板351の一表面上に、弾性材料を用いて突起部材352を形成することによって封止栓35を製造することができる。
具体的には、EPゴム原料を突起部材352の形状に成型して加硫し、その成型体を接着剤で押え板351に接合する方法、或は、押え板351の表面において、EPゴム原料を突起部材352の形状に成型して加硫する方法によって形成することができる。
【0027】
このようにして作製した外装缶10、封口体30(但し封止栓は未装着)、電極体及び封止栓35を用いて、以下のように電池を組み立てる。
電極体を、外装缶10の中に挿入すると共に、負極リード板を、絶縁スリーブを通して負極端子32と電気的に接続する。
次に、絶縁スリーブ及び封口体30を外装缶10の開口部に圧入して填め込み、封口体30の立ち上げ部310と外装缶10の開口縁部11とを、両者の境界に沿ってレーザ光を照射しながら走査することによって溶接を行う。
【0028】
なお、封口板31に立ち上げ部310を形成しないでその外周部をレーザ溶接すると、溶接箇所から封口板中央部への伝熱による放熱が大きいためレーザ照射のエネルギーを低くすると溶接部においてクラックが発生しやすいが、本実施形態のように封口板31に立ち上げ部310を形成してこの部分をレーザ溶接を行うと、溶接箇所から封口板中央部への直線的な伝熱経路がなくなるので、溶接箇所からの放熱が低減されることになる。従って、溶接箇所に発生する熱応力が低減されるので、レーザ照射のエネルギーを低くしても溶接部におけるクラックの発生を抑えることができる。
【0029】
次に、電解液注入用のノズルを用いて注液孔34から非水電解液を外装缶10の内部に注入する。
そして、最後に、封止栓35を注液孔34のところに装着し、突起部材352を注液孔34に圧入された状態に保ちながら、押え板351の電池厚み方向両端部351aと立ち上げ部310との間をレーザ溶接することにより固着する。このレーザ溶接を行う際には、押え板351を封口板31上に外部から力を加えて押さえ付けながら行うことが好ましい。
【0030】
(本実施の形態の封止方法による効果)
本実施の形態の封止方法による効果について、図3,4に示すような比較例(この比較例の詳細については後述する)の封口方法と比べながら説明する。
実施の形態及び比較例のいずれの場合でも、外装缶10内に注入された非水電解液が、注液孔34の縁に付着するという現象はしばしば生じる。
【0031】
比較例の封止栓135を用いてレーザ溶接で封止する場合、封止栓135と注液孔34との間をレーザ溶接して気密性を確保する必要があるが、注液孔34の縁に非水電解液が付着していると、封止栓135を注液孔34に装着したときに、レーザ溶接しようとするベース部135bと切り欠き部341との間にもクリープしやすい。そして、これが原因でレーザ封口時にスパッタ現象が生じるため、封止不良が発生しやすい。
【0032】
一方、実施の形態の封止栓35では、突起部材352が押え板351で押えられて注液孔34に圧入されることによって、突起部材352と注液孔34との間の気密性が確保されているので、押え板351と封口板31との間では気密性は確保しなくてもよい。従って、容易に且つ確実に封止することができる。
また、レーザ溶接される箇所は、押え板351の端部351aと立ち上げ部310との間であるため、比較的容易に溶接を行うことができる。その理由そして、外周部であるためレーザ光を照射しやすいこと、立ち上げ部310の高さと押え板351の板厚とを同じくらいに設定することで、立ち上げ部310の縁端と端部351aとの高さを合わせることができることが挙げられる。
【0033】
また、レーザ溶接される箇所が注液孔34からかなり離れたところであるため、注液孔34の縁に非水電解液が付着したとしても、溶接箇所までクリープする可能性は少ない。従って、非水電解液による溶接不良も生じにくい。
次に、比較例の封止栓135は、その径が注液孔34の径とあまり変らない小さなサイズなので、実生産において封止栓135を注液孔34に装着する際に装着不良が発生しやすい。例えばこれを吸着パッドで吸着しながら注液孔34に搬送しようとするときにも、エラーが発生しやすい。
【0034】
一方、実施の形態の封止栓35は、押え板351が、電池の厚みに近い幅を有する大きさに設定されているので、容易に吸着パッドで吸着して搬送することができる。
このように封止栓35を用いることによって、封止栓の装着不良も低減することができることになる。
【0035】
(変形例、その他の事項)
本実施の形態では、封止栓35において、突起部材352の全体が弾性材料で形成されているが、一部だけを弾性部材で形成してもよい。
例えば、突起部材352の先端部352aだけを弾性部材で形成し、ベース部352bを剛性体で形成したり、逆にベース部352bだけを弾性部材で形成し、先端部352aを剛性体で形成しても、実施することは可能である。
【0036】
但し、良好にシールするためには、突起部材352の表面は弾性部材で形成するのが好ましく、従って、上記のように突起部材352の全体を弾性材料で形成するか、或は、突起部材352の内部は剛性体で形成し、突起部材352の表面を弾性部材で形成することが好ましいと考えられる。
本実施の形態では、押え板351と封口板31とのレーザ溶接による固着は、溶接の比較的容易な押え板351の両端部351aと立ち上げ部310との間で行ったが、押え板351の外周部と封口板31との間のどの箇所を溶接してもよい。
【0037】
本実施の形態では、押え板351は長方形状の板からなる例を示したが、この他に円形板状など様々な形状で実施可能である。
本実施の形態では、封口板及び押え板の材質としてアルミニウム合金を用いる場合について説明したが、本発明は、ステンレス等を用いる場合にも適用可能である。
【0038】
また、支持部材としては、注液孔34を蔽って封口板31の表面に固着でき且つ突起部材352を押圧できるものであればよいので、押え板351のように板状であることが有利と考えられるが、必ずしも板状でなくてもよく、例えば棒状の支持部材を用いて封止栓を構成することも可能である。
本実施の形態では、リチウム二次電池の場合を例にとって説明したが、本発明は、ニッケル−水素電池などの二次電池、あるいは一次電池においても適用可能である。
【0039】
本実施の形態では、角形密閉式電池について説明を行なったが、円筒形密閉式電池に対しても適用することができる。
【0040】
【実施例】
〔実施例〕
上記実施の形態に基づいて、(高さ48mm×幅30mm×厚さ10mm)サイズの角形密閉式電池を作製した。
封口板31は、厚さ約0.8mmのアルミニウム合金板を用いて作製し、注液孔34の径は1.6mmとした。
【0041】
封止栓35のサイズは、図5(a)に示す通りであって、全体の高さは1.8mm、押え板351の電池厚み方向の幅は4.3mm、板厚は0.4mm、突起部材352の先端部352aは最大径1.7mm、ベース部135bは径2.2mmに設定した。
〔比較例〕
図3は、本比較例に係る角形密閉式電池の斜視図であり、図4は、図3におけるA−A’線断面図である。
【0042】
なお、本図において、図1,2と同様の構成要素には、同一の番号を付している。
本比較例の角形密閉式電池は、上記実施例の電池と同様の構成であるが、注液孔34の封止方法だけが異なっている。
即ち、本比較例では、上記実施例で用いた封止栓35の代わりに、注液孔34の径と大差のない径を有しその全体がアルミ合金で形成された封止栓135が用いられている。
【0043】
この封止栓135は、実施例における封止栓35の突起部材352と同様の形状であって、注液孔34に填まり込む先端部135aと、先端部135aより径が大きく切り欠き部341に填まり込むベース部135bとから形成されている。
そして、封止栓135におけるベース部135bの外周と、封口板31における切り欠き部341との間をレーザ溶接により封止することによって、注液孔34は封止されている。
【0044】
封口板31及び注液孔34のサイズは上記実施例と同一とした。
封止栓135のサイズは、図5(b)に示す通りであって、全体の高さは1.2mm、先端部135aは最大径1.6mm、ベース部135bは径2.2mmに設定した。
〔実験〕
上記実施例及び比較例に従って、製造ラインで電池を製造しながら、注液孔34におけるリーク発生率、並びに、封止栓の供給不良率を測定するテストを行った。
【0045】
注液孔34を封止栓で封止する工程では、封止栓35並びに封止栓135を、レール上を滑らせることによって所定の位置に連続供給し、吸着パッドで封止栓を吸着し、注液孔34に装着した。ここで、注液孔34に封止栓が装着されなかった装着不良のものは除いて、レーザ溶接を行った。
このようにして実施例及び比較例の製造方法で連続的に電池を製造し、製造された電池を熟成した。
【0046】
リーク発生率は、電池を熟成する工程において、注液孔34と封止栓との間で電解液のリークが発生した割合である。
封止栓の供給不良率は、注液孔34の封止工程において、封止栓が注液孔34に装着されなかった割合である。
その結果は、表1に示す通りである。
【0047】
【表1】
【0048】
表1から明らかなように、実施例の電池では、比較例の電池と比べてリーク発生率及び封止栓供給不良率が大幅に低下している。
実施例の電池でリーク発生率が低いのは、注液孔34と封止栓35との間における封止不良の発生が少ないことを示している。
比較例で封止栓供給不良率が高いのは、封止栓135を連続供給する際にレール上で封止栓135が詰まって供給不良が生じたことが原因である。一方、実施例で封止栓供給不良率が低いのは、封止栓35の場合は、所定の位置への連続的な供給が良好になされるためである。
【0049】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、密閉式電池用封口蓋に開設された注液孔を封止する際に用いる封止栓を、封口蓋の表面上に注液孔を蔽う状態で固着される支持部材と、弾性を有する材料で形成され注液孔に圧入された状態で支持部材によって支持されている圧入部材とで構成し、これによって、容易に且つ確実に注液孔の封止を行い、封止不良を低減できるようにした。
【0050】
更に、本発明の封止栓は、注液孔と比べてサイズの大きい支持部材が付いているので、注液孔への装着は、比較的容易に行うことができる。これによって、電池を実生産するときに、封止栓を注液孔に装着する際における装着不良も低減することができる。
このように、本発明は、密閉式電池を効率よく生産するのに寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態に係る角形密閉式電池の斜視図である。
【図2】図1におけるA−A’線断面図である。
【図3】比較例に係る角形密閉式電池の斜視図である。
【図4】図3におけるA−A’線断面図である。
【図5】実施例及び比較例に係る封止栓のサイズを示す図である。
【符号の説明】
10 外装缶
30 封口体
31 封口板
34 注液孔
35 封止栓
310 立ち上げ部
351 押え板
352 突起部材
352a 先端部
352b ベース部
Claims (9)
- 外装缶に発電素体が収納され、当該外装缶の開口部が封口蓋で封口されて構成され、前記封口蓋には非水電解液を注入する注液孔が開設され、当該注液孔が封止栓で封止されてなる密閉式電池であって、
前記封止栓は、
前記封口蓋の表面上に前記注液孔を蔽う状態で固着されている支持部材と、
弾性を有する材料で形成され前記支持部材によって支持されており、注液孔に圧入される先端部及び当該先端部よりも径が大きく注液孔の周囲に圧接されるベース部を備える圧入部材とから構成されていることを特徴とする密閉式電池。 - 前記支持部材は、
平板状であって前記封口蓋に溶接されており、
前記圧入部材は、
当該支持部材の表面から突出して設けられていることを特徴とする請求項1記載の密閉式電池。 - 前記支持部材は、
その端部が、前記封口蓋の縁端まで延びていることを特徴とする請求項1または2記載の密閉式電池。 - 前記封口蓋は、その外周端部が立ち上げられており、
当該外周端部に前記支持部材の端部が溶接されていることを特徴とする請求項3記載の密閉式電池。 - 前記ベース部は、前記圧入部材の付け根部分に形成されていることを特徴とする請求項1〜4記載の密閉式電池。
- 前記封口蓋における注液孔の周囲に、
前記圧入部材のベース部が圧接されて填まり込むよう凹部が形成されていることを特徴とする請求項5記載の密閉式電池。 - 密閉式電池用封口蓋に開設された電解液の注液孔を封止する封止栓であって、
前記封口蓋表面上で前記注液孔を蔽う位置に固着される支持部材と、
弾性を有する材料で形成され前記支持部材によって支持されており、前記注液孔に圧入される先端部及び当該先端部よりも径が大きく前記注液孔の周囲に圧接されるベース部を備える圧入部材とから構成されていることを特徴とする封止栓。 - 前記支持部材は、
平板状であって、
前記圧入部材は、
当該支持部材の表面から突出して設けられていることを特徴とする請求項7記載の封止栓。 - 密閉式電池用封口蓋に開設された電解液の注液孔を封止する封止方法であって、
前記封口蓋表面上で前記注液孔を蔽う位置に固着される支持部材と、
弾性を有する材料で形成され前記支持部材によって支持されており、注液孔に圧入される先端部及び当該先端部よりも径が大きいベース部を備える圧入部材とからなる封止栓を用い、
前記先端部を前記注液孔に圧入するとともに前記ベース部を注入孔の周囲に圧接した状態に保持しながら、前記支持部材を前記封口蓋に固着することによって、前記注液孔を封止することを特徴とする注液孔封止方法。
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