JP4198652B2 - 密閉型電池 - Google Patents

Description

本発明は、密閉型電池に関し、電解液注液口に装着した液口栓をレーザー溶接等によって溶着して封口した密閉型電池において、封口部の密閉特性が良好な密閉型電池に関するものである。

携帯型の電子機器、自動車あるいは自転車等をはじめとした移動体用の主あるいは補助動力源として、小型で軽量で容積あたり容量が大きな電池が求められている。
これらの目的には、従来から用いられているニッケルカドミウム電池や鉛電池に比べて、容積あるいは質量当たりのエネルギー密度が大きな二次電池としてリチウムイオンをドープ、および脱ドープする正極活物質と負極活物質を用いたリチウムイオン電池等の非水電解質電池が利用されている。

リチウムイオン電池等の非水電解質電池は、正極電極と負極電極をセパレータを介して巻回して製造した電池要素、あるいは正極電極と負極電極を積層した電池要素を密閉容器に収納して封口することによって、電池内部へ水分が浸入して電池特性が劣化することを防止している。

電池容器として金属製の電池缶を用いた密閉型電池にあっては、電池缶の開口部から電池要素を収納した後に、電池缶の開口部に電池缶と異極性の電池端子を絶縁性部材を介して取り付けた電池ヘッダを電池缶の開口部に装着して熱融着した後に、電池ヘッダに設けた電解液注液口から所定の量の電解液を注入した後に、電解液注液口に液口栓を嵌合した状態でレーザーを照射して溶融させて一体化している。

図３は、従来の密閉型電池の電解液注液口の封口工程を説明する図であり、電池の電解液注液口の部分の断面を示す図である。
図３（Ａ）に示すように、密閉型電池１の電池外装容器２に電池要素を収納した後に、電池外装容器の開口部に電池ヘッダ３を装着して、電池外装容器２と電池ヘッダ３との会合部をレーザー溶接した後に、電池ヘッダに設けた電解液注液口５から電解液１２を注液する。次いで、図３（Ｂ）に示すように、電解液注液口５に液口栓７を装着する。

更に、図３（Ｃ）に示すように、電解液注液口５と液口栓７との会合部にレーザー１０を照射して電池ヘッダ３の電解液注液口５部と液口栓７の両者を溶融して融着部１１を形成して封口するものである。

ところが、電池の大容量化に伴い、電池缶内部に占める電池要素の大きさが大きくなり、電解液液１２が電解液注液口５の封口部に近い部分に存在することとなり、レーザー溶接の際に溶接熱によって加熱された電解液が封口部から噴き出し物１３となって噴出する等の問題点があった。

また、電解液注液口の液口栓として、外側に位置する部分が内側に位置する部分よりも径が大きな部分とを有する液口栓を使用した密閉型電池が知られている。（例えば、特許文献１あるいは２）。
このような液口栓の場合には、熱融着に使用するレーザーが、液口栓と電解液注液口の会合部の隙間を通じて電池缶の内部への直接到達を防止できるので、電池内部の直接加熱による電解液の沸騰、あるいは噴き出し現象を防止することが可能となるものの、レーザー照射による熱を原因とする内圧の上昇によって電解液が吹き出して封口特性を悪化させることを防止することはできなかった。
また、照射するレーザーの出力を小さくすることによって、電解液の噴き出し等の現象を防止しようとすると、溶着部の金属の溶け込みが浅くなって、熱膨張、収縮の歪みによりクラックが発生し、その部分から電解液が漏洩したり、外部から水分が浸入するおそれがあった。
特開平１０−１１４２６８号公報 特開２０００−２１４３７号公報

本発明は、電解液注液口に液口栓を装着してレーザー溶接によって電解液注液口に液口栓を熱融着する際には、少ない熱量での溶着が可能であって、周囲への熱的な影響を及ぼす可能性が小さく、特性が良好な封口部の形成が可能な密閉型天地を提供することを課題とするものである。

本発明の課題は、密閉型電池において、電池外装容器の壁面または電池ヘッダ壁面に設けた電解液注液口は中央に貫通孔を有し、その周囲には外面よりも低い段差部を有しており、電解液注液口の周囲の壁面に電解液注液口と同心円状の凹部を有し、電解液注液口に装着した液口栓は、電解液注液口の貫通孔および段差部に嵌合し、液口栓の外面には凹部を有しており、液口栓と電解液注液口の壁面との会合部は溶着して封口された密閉型電池によって解決することができる。

本発明の密閉型電池は、電解液注液口の周囲に段差部を形成したことによって、照射したレーザが電池内部に直接到達することを防止し、更に電解液注液口の周囲に溝状の凹部と液口栓の中心部に凹部を形成したので、レーザ溶接の際の熱が周囲に伝達されるのを抑制することができる。その結果、レーザの照射量を少なくしても充分な溶け込み量の確保が可能となり、熱による電解液の噴き出し等による封口不良を防止でき、溶接時の熱膨張、あるいは歪みによるクラックの発生を防止することができる。

本発明は、電池外装容器の壁面、もしくは電池缶の開口部に装着する電池ヘッダ壁面に設けた電解液注液口に、液口栓を装着した液口栓を電解液注液口に熱融着して封口する際に生じる封口不良には、熱融着の際に電池に加えられる熱による電解液注液口に装着した液口栓の間に形成される間隙からの電解液の噴き出し、あるいは融着部に加えられる熱量の不足に原因があることを見出したものである。
そこで、電解液注液口を周囲から熱的に隔離するとともに、液口栓の熱容量を小さくすることによって、電解液注液口に近接して電解液が存在していた場合であっても電解液の噴き出しを生じることなく、また少ない熱量で確実な熱融着が可能な密閉型電池を提供することが可能であることを見出したものである。

以下に図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明の密閉型電池を説明する図である。
図１（Ａ）は、密閉型電池を説明する斜視図である。図１（Ｂ）は、密閉型電池を上部からみた平面図であり、図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）において、電解液注液口部分をＡ−Ａ’線で切断した上部の断面を異なる縮尺で示す図である。
本発明の密閉型電池１は、電池外装容器２内に電池要素を収納した後に、電池缶２の開口部に電池ヘッダ３を装着して、電池外装容器２と電池ヘッダ３とを熱融着して一体化している。電池ヘッダ３には中央部に絶縁性部材を介して、電極端子４を有し、電解液注液口５および電池内圧の異常上昇時に開裂して圧力を開放する圧力開放弁６を有している。

電池ヘッダ３の電解液注液口５には、貫通孔１５および段差部１６が形成されており、液口栓７は貫通孔１５および段差部１６と嵌合している。
また、電解液注液口５の電池ヘッダ３の壁面には、電解液注液口５と同心円状に凹部８が形成されており、液口栓７の中央の外面に面した部分には、凹部９が形成されており、液口栓７と電解液注液口５との会合部はレーザ溶接によって熱融着部１０を形成して電解液注液口５が封口されている。

本発明の密閉型電池では、電解液注液口５には、貫通孔部１５と電池ヘッダ３の壁面よりも低くなった段差部１６が形成されているので、電解液注液口５の壁面と液口栓７との会合部にレーザを照射した場合には、レーザは直接に電池外装容器２内部の電解液１２に達することを防止するとともに、電池ヘッダ３に設けた凹部８によって、レーザ溶接の際に加えられる熱の周囲へ拡散が妨げられるので、レーザ照射部は充分に温度が上昇するので、少ない熱量で所定の温度への加熱が可能となる。
その結果、電極端子４の絶縁物の過度の温度上昇、あるいは電池内部の加熱等を防止することができる。また、液口栓７に設けた凹部によって液口栓の熱容量を小さくするとともに、不必要な熱の拡散を抑制することができる。
また、凹部は、熱の拡散の抑制のみではなく、溶接時の熱膨張、歪みを吸収する作用も有しており、クラックの発生が少なくなるという効果も得られる。

図２は、本発明の密閉型電池の製造方法を説明する図であり、電解液注液口部分を切断した上部の断面を示す図である。
図２（Ａ）に示すように、密閉型電池１の電池外装容器２内に電池要素を収納した後に、電池缶２の開口部に電池ヘッダ３を装着して、会合部をレーザ溶接によって接合した後に、中央部に凹部９を有する液口栓７を電解液注液口５の貫通部１５および段差部１６と嵌合するように挿入し、図２（Ｂ）に示すように、液口栓７の上面を電池ヘッダ３の上面とを実質的に同一面とする。
次いで、図２（Ｃ）に示すように、電解液注液口５と液口栓７との会合部にレーザ１０を照射して電池ヘッダ３および液口栓７を溶融して両者の融着接合部１１を形成する。

本発明の密閉型電池では、電池ヘッダ３に設けた凹部８によって、レーザ溶接の際に加えられる熱の周囲への拡散が妨げられるので、電極端子４の絶縁物の劣化、あるいは電池内部の加熱等を防止することができる。
更に、液口栓７の上部の外面に面した部分には凹部９が設けられている。凹部によって、液口栓７の熱容量は小さなものとなるので、レーザの照射量が同一の場合には凹部９を設けない場合に比べてより大きな温度上昇が実現できる。また、凹部９の存在によって液口栓７の下部への熱拡散を小さくすることができ、レーザの照射による電池内部への影響を小さなものとすることができる。
液口栓７に設ける凹部９の径および深さは、電解液注液口の大きさ、電池ヘッダの厚さ等に応じて適宜定めることができるが、液口栓７の熱容量を小さくするとともに、熱拡散を妨げる作用を大きくするために、液口栓７に設けた凹部９の強度に問題を生じない程度に大きくし、また凹部９の先端部９Ａを深くすることが好ましい。

図２（Ｄ）は、各部の大きさを具体的に示した図である。
電解液注液口に形成する段差部の深さｄは、レーザによって溶け込み量以上の大きさとすることが必要であるので、アルミニウム製の外装缶の場合には、０．１ｍｍ以上とすることが必要である。
また、熱伝達を抑制するために設けた電池ヘッダに電解液注液口に同心状に設けた凹部８と、液口栓の上部に設ける凹部９との間の距離、すなわちａ＋ｂは、レーザによって形成されるビード径以上の大きさとすることが好ましい。大きささがビード径よりも小さい場合には、凹部とビードが重なる結果、凹部を設けた効果を充分に得ることはできなくなる。

また、電池ヘッダに設ける凹部の深さｃは、電池ヘッダの板厚ｅの３／４以下とすることが好ましく、これ以上の深さでは、強度が小さくなるので好ましくない。また、凹部の断面形状は、図では四辺形であるが、四辺形に限らず、半円形、Ｕ字状、底部が狭い多角形等であっても良いが、段差部の深さまでは垂直のものの方が熱拡散の抑制の点からは好ましい。
また、液口栓に設ける凹部９の深さｆは、段差部の深さｄと同じかそれ以上、液口栓の高さの３／４以下の深さとすることが好ましい。液口栓の高さの３／４よりも大きい場合には液口栓の強度の低下が生じるので好ましくない。
また、液口栓に設ける凹部の断面形状は、電池ヘッダの凹部の断面形状と同様に各種の形状をとることができるが、電池ヘッダに設けた凹部の深さまでは垂直の壁面の方が熱拡散の抑制の点からは好ましい。
一例を挙げれば、板厚ｅ：１．０ｍｍの場合には、
ａ＋ｂ：０．６〜１．０ｍｍ
ｃ ：０．３〜０．５ｍｍ
ｄ ：０．２〜０．４ｍｍ
ｆ ：０．２〜０．５ｍｍ
とすることが挙げられる。
以下に本発明の実施例を示し、本発明を説明する。

幅３４ｍｍ、高さ５０ｍｍ、厚さ５．０ｍｍのアルミニウム製の外装容器を用い、電池ヘッダには、直径１．２ｍｍの電解液注液口の周囲に、表面から０．３ｍｍの深さの段差部を形成し、更に、直径２．４ｍｍ、幅０．４ｍｍ、深さ０．３ｍｍの同心円状の溝を形成した。
長さ１．０ｍｍの液口栓は、段差部および電解液注液口の貫通孔部に嵌合する形状とし、外面には、直径０．４ｍｍ、深さ０．３ｍｍの凹部を形成した。
電解液注液口から電解液を内容積の９０％の充填率で充填した後に、電解液注液口の液口栓との会合部に対して１２０Ｗのレーザを照射したところ、溶着部には、０．１５ｍｍの溶け込み量を確保することができた。
また、封口部のピンホールを調べたところ、ピンホールの発生率は作製した電池の個数の０．５％以下であった。

比較例１
電池ヘッダおよび液口栓に凹部を形成しない点を除き実施例１と同様にレーザの出力を変えて照射し、溶け込み量を測定したところ、０．１５ｍｍの溶け込み量を確保するためには、２２０Ｗの出力が必要であった。
また、得られた密閉型電池の封口部のピンホールの確認をしたところ、作製した電池の６％の個数にピンホールが生じていた。

本発明の密閉型電池は、電解液注液口の周囲に段差部を形成し、更に電解液注液口の周囲に溝状の凹部と液口栓の中心部に凹部を形成したので、レーザ溶接の際の熱が周囲に伝達されるのを抑制することができるので、レーザの照射量を少なくしても充分な溶け込み量の確保が可能となり、熱による電解液の噴き出しによる封口不良を防止でき、溶接時の熱膨張、あるいは歪みによるクラックの発生がない封口特性が優れた密閉型電池を提供することができる。

図１は、本発明の密閉型電池を説明する図である。 図２は、本発明の密閉型電池の製造方法を説明する図である。 図３は、従来の密閉型電池の電解液注液口の封口工程を説明する図である。

符号の説明

１…密閉型電池、２…電池外装容器、３…電池ヘッダ、４…電極端子、５…電解液注液口、６…圧力開放弁、７…液口栓、８…凹部、、９…凹部、９Ａ…先端部、１０…レーザ、１１…熱融着部、１２…電解液、１３…噴き出し物

Claims (1)

1. 密閉型電池において、電池外装容器の壁面または電池ヘッダ壁面に設けた電解液注液口は中央に貫通孔を有し、その周囲には外面よりも低い段差部を有しており、電解液注液口の周囲の壁面に電解液注液口と同心円状の凹部を有し、電解液注液口に装着した液口栓は、電解液注液口の貫通孔および段差部に嵌合し、液口栓の外面には凹部を有しており、液口栓と電解液注液口の壁面との会合部は溶着して封口されたものであることを特徴とする密閉型電池。

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