JP4454928B2

JP4454928B2 - 角形電池の製造方法

Info

Publication number: JP4454928B2
Application number: JP2002328975A
Authority: JP
Inventors: 真介福田; 俊治北川; 幸司齋藤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2022-11-13
Also published as: JP2004164979A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半殻体に形成された本体ケースの開口部を蓋板によって封口した電池ケース内に発電要素を収容した扁平形状の角形電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話機やＰＤＡなどの携帯電子機器は、高機能化と共に小型化、薄型化の進展が著しく、それに適用する電池に小型、薄型にして高エネルギー密度であることが要求され、これに対応する電池として扁平角形のリチウムイオン二次電池が広く用いられている。この扁平角形の電池に適用される電池ケースは、深絞り加工によって有底角筒形状に形成された電池缶と、その開口端を閉じる封口板とによって構成され、電池ケース内に極板群および電解液からなる発電要素が収容されている。
【０００３】
電池の薄型化を達成するためには、前記電池缶を狭い幅の角筒に深絞りする必要があるが、加工方向の深さに対して開口面積が小さくなるほどに加工が困難となり、深絞り加工による電池缶の薄型化には限度がある。また、幅が狭く深い筒状に形成された電池缶に極板群を挿入することも、薄型化して開口面積が小さくなるほどに困難になる。
【０００４】
従って、薄型化に限度がある角形電池の更なる薄型化を図るためには、電池ケースの構造を変える必要があり、電池ケースを浅い絞り加工がなされた半殻体と、半殻体の凹部を閉じる板体とによって構成した角形電池が提案されている。
【０００５】
例えば、図１１に示すように、半殻体に形成された容器５内に極板群７を収容し、容器５の開口部を蓋板６で閉じた角形電池が知られている（特許文献１参照）。容器５と蓋板６との間は、蓋板６の周囲と容器５の周縁との間をレーザ溶接することにより、極板群７を収容した容器５内が封口される。
【０００６】
また、図１２に示すように、半殻体に形成された上カップ１と、その開口部を封口する下カップ２とによって電池ケースを形成した角形電池が知られている（特許文献２参照）。この角形電池では、図１３に示すように、上カップ１及び下カップ２の周縁部で重なり合った板材間の合わせ部分にレーザ照射して上カップ１と下カップ２とを接合している。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０９−２１３２８６号公報（第３〜４頁、図４）
【０００８】
【特許文献２】
特開２００１−２５０５１７号公報（第３〜４頁、図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来構成になる角形電池において、先に示した構成では、レーザ溶接する位置が極板群７の至近位置となるため、極板群７に熱影響を及ぼすことになる。そのため従来構成ではレーザ位置と極板群７との間に遮熱板８を配して熱影響を緩和させているが、薄型化を志向する角形電池としては好ましくない構成である。また、容器５の材厚を薄くして軽量化、薄型化を図った場合に、レーザ照射の位置精度が要求され、半殻体の容器５に僅かな変形も許されず、溶接不良が発生する恐れがある。
【００１０】
また、従来技術として後に示した構成では、溶接時に極板群３に熱影響が及ばないように離れた位置に溶接位置を設けているが、板材の合わせ部分にレーザ照射して溶接するため、重ね合わせた両板材の間に隙間が生じないように上カップ１及び下カップ２共に精度よく加工されていることが要求される。
【００１１】
本発明が目的とするところは、半殻体と板体との組み合わせによる電池ケースの形成を容易にすると共に、半殻体に対する蓋体の溶接を精度よく実施することができる角形電池の製造方法を提供することにある。
【００１２】
【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に係る角形電池の製造方法は、四角形半殻体の周縁部にフランジを形成した本体ケースの凹部内に極板群を収容し、前記フランジ上に本体ケースの凹部を位置決めして閉じるように、前記凹部の内寸に一致する外寸の窪みを持つ蓋板を配した後、フランジと蓋板との板面を重ね合わせた周辺部を、フランジと蓋板の板厚の薄い蓋板側でかつ、板面に交差する方向からレーザ照射し、フランジと蓋板との間をレーザ溶接して凹部内を封口することを特徴とする。
【００１３】
上記製造方法によれば、本体ケースと蓋板とは、本体ケースの周縁部に形成したフランジに蓋板を重ね合わせ、重ね合わせた板面と交差する方向からレーザ照射して溶接される。従って、フランジの幅内にレーザ照射すればよく、高精度の照射位置制御は必要としないので製造は容易である。また、フランジ部分で溶接がなされるので、極板群との間には距離を確保することができ、溶接による熱影響を極板群に及ぼすことがない。特に、重ね合わせたフランジと蓋板の板厚の薄い蓋板側からレーザ照射することにより、溶接エネルギーがより小さいレーザ溶接が可能であり、極板群に対する熱影響がより緩和され、板面方向からレーザ照射する際の穴開き等の溶接不良を防止することができる。蓋板の材厚が本体ケースより薄く形成され且つ、フランジ面より凸状態になっている部位がないので、板面に対して直角方向から傾斜した角度方向からレーザ照射するときに、凸部位が照射角度の障害となることがない。また、前記窪みは位置決め部としての効果だけでなく、極板群の膨張、あるいは内圧の上昇により電池ケースに膨らみが生じたとき、膨らみを窪みの形成深さ内で吸収して、角形電池としての全体厚さに変化が生じないようにする効果を得ることができる。
【００１６】
また、直交する辺に沿った一方の溶接ラインが他方の溶接ラインに交差するコーナー部位において、少なくとも一方の溶接ラインが他方の溶接ラインに交差する直前でアールラインを描いて他方の溶接ラインに重なるようにレーザ溶接することにより、四角形形状のコーナー部分の接合強度が向上し、電池内圧の上昇に伴う板面の膨れが生じたときに変形を伴って、最も圧力がかかるコーナー部分を補強することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１９】
図１は、本実施形態に係る角形電池の外観形状を示すもので、リチウムイオン二次電池として構成されたものである。この角形電池は、図２に示す電池本体２０を外装体３０によって被覆して構成される。
【００２０】
前記電池本体２０は、図３に各構成要素に分解して示すように、半殻体に形成された本体ケース１１と、その開放部を閉じる蓋板１２とにより電池ケース１０が構成されており、本体ケース１１に形成された凹部１５内に極板群１４を収容し、本体ケース１１の開放部を蓋体１２で封止するように構成されている。
【００２１】
前記本体ケース１１は、金属板をプレス加工して一端側に絞り深さを小さくした段差部１６を設けて凹部１５を形成すると共に、凹部１５の周囲にフランジ部１３を設けて形成される。前記段差部１６は正極及び負極の外部接続端子を形成する部位で、ここでは段差部１６に形成された端子孔１７に下ガスケット１８で本体ケース２と絶縁すると共に気密性を確保してリベット１９によりＰＴＣユニット２６を段差部１６の外面上に固定している。また、段差部６には電解液の注入口２８が形成されている。
【００２２】
前記ＰＴＣユニット２６は、図１０に示すように、ＰＴＣ導電性ポリマ３３ａの両面に上電極３３ｂと下電極３３ｃとを接合したＰＴＣ素子３３をＰＴＣホルダ３４内に収容し、上ガスケット３５によって段差部１６と絶縁してワッシャ３７を介して前記リベット１９を締結することにより段差部１６上に固定され、前記ＰＴＣホルダ３４の開口部にホルダプレート３６を溶接したものである。ホルダプレート３６は、ここでは正極外部接続端子を構成する。尚、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子３３は、過電流や過熱により温度上昇して素子温度が所定温度に達すると急激に抵抗値が上昇するデバイスであり、平常時は僅少な抵抗値で通電回路の電力損失を低く抑えているが、所定温度に達したときには抵抗値が１０の４乗から６乗にも急上昇するので、外部短絡が生じたときに温度上昇して短絡電流を抑え、電池を外部短絡から保護する電池保護素子として作用する。
【００２３】
前記本体ケース１１の凹部１５内には、正極板と負極板とをセパレータを介して扁平に巻回された極板群１４が収容される。極板群１４は最外周が負極板となるように巻回され、その巻回方向は、段差部１６からその対向辺に向く方向であり、巻き終わり端が段差部１６側になるようにして、正極板及び負極板それぞれの巻き終わり端から正極リード２１、負極リード２２が引き出される。この極板群１４を正極リード２１及び負極リード２２が引き出された側を前記段差部１６側にして凹部１５内に収容すると、極板群１４から引き出された正極リード２１の先端部は前記リベット１９上に位置し、負極リード２２の先端部分は段差部１６上に位置するので、正極リード２１はリベット１９に、負極リード２２は段差部１６にそれぞれ接合される。
【００２４】
極板群１４を収容した本体ケース１１の開口部上に蓋板１２を被せ、フランジ部１３と蓋板１２とをそれぞれの外縁端が一致するように位置決めして、図４に示すように、蓋板１２側からレーザ照射して蓋板１２の周辺部とフランジ部１３との間を溶接する。以下、蓋板１２とフランジ部１３との間の溶接方法について説明する。
【００２５】
極板群１４を収納した本体ケース１１に対し、そのフランジ部１３上に蓋板１２を載置する。蓋板１２をフランジ部１３上に位置ずれなく載置できるようにするためには、位置決め部を形成するのが望ましい。位置決め部は、例えば、図５（ａ）に示すように、蓋板１２の周縁にフランジ部１３側に向けた折り曲げ部４３を形成した構成、あるいは、図５（ｂ）に示すように、蓋板１２に凹部１５の内寸に一致する外寸の窪み２３を形成した構成、あるいは、図５（ｃ）に示すように、蓋板１２に凹部１５の内寸に一致する位置に凸部４０を形成した構成、あるいは、図５（ｄ）に示すように、フランジ部１３に形成した凸部４４と蓋板１２に形成した穴部４５とを嵌合させる構成などを適用することができる。ここでは、図５（ｂ）に示した蓋板１２に窪み２３を形成した構成を採用して、それを位置決め部としている。
【００２６】
前記窪み２３は位置決め部としての効果だけでなく、極板群４の膨張、あるいは内圧の上昇により電池ケース５０に膨らみが生じたとき、膨らみを窪み２３の形成深さ内で吸収して、角形電池としての全体厚さに変化が生じないようにする効果を得ることができる。
【００２７】
フランジ部１３上に蓋板１２を位置決め載置した後、蓋板１３とフランジ部１３との間をレーザ溶接する。レーザ溶接は、重ね合わされた蓋板１２とフランジ部１３の板厚の薄い側から板面と交差する方向からレーザ照射して重ね合わせた２枚の板を溶接する。ここでは、本体ケース１１の板厚は０．１５ｍｍ、蓋板１２の板厚は０．１０ｍｍとしているので、図６に示すように、蓋板１２の面に交差する方向からレーザ照射して、蓋板１２のレーザ照射された部分を板厚方向に溶融させると共に、フランジ部１３の板厚方向の一部を溶融させることにより、溶融状態が固化したとき蓋板１２とフランジ部１３との間が接合される。従って、板厚の薄い側からレーザ照射することにより、より小さいレーザ出力によっても溶融状態を重ね合わせた対面側まで至るようにして確実な接合状態が得られる。また、蓋板１２側には、本体ケース１１のように凹部１５のような突出部位がないので、溶接面に対して傾斜した角度方向からレーザ照射するときに、破線で示すように凹部１５がレーザ照射光路の障害となることがなく、レーザ溶接を容易に実施することができる。
【００２８】
また、薄い板材を溶接すると、溶接時の熱影響や溶融金属の凝固時の影響により変形が発生し、溶接部位以外の部位で蓋板１２とフランジ部１３との重ね合わせ状態に浮きが生じ、溶接不良が発生する恐れがある。これを防止するために、図７に示すように、蓋板１２とフランジ部１３との間を全周にわたる複数点Ｐで溶接し、仮固定した状態からレーザ溶接を開始すると、溶接している部位以外の部位に溶接に伴う変形が及ばず、蓋板１２とフランジ部１３とが密着した状態で溶接され、確実な溶接状態が安定して得られる。尚、複数点の溶接は、レーザ溶接によって行ってもよいが、スポット溶接（抵抗溶接）等の簡易な溶接手段を用いることもできる。
【００２９】
また、レーザ溶接は四角形の各辺に沿った４本の溶接ライン上で実施してもよいが、図８（ａ）に示すように、一筆書き状に四角形の各辺にそって一周する溶接ラインＡを描くように溶接するのが好ましく、より好ましくは、図８（ｂ）に示すように、コーナー部位で円弧を描く溶接ラインＢで溶接することによって、凹部１５の角部アールに沿った溶接がなされ、電池内圧の上昇時に最も大きな破断圧力が加わるコーナー部位の接合強度を向上させることができる。また、図８（ｃ）（ｄ）に示すように、直交する辺に沿った一方の溶接ラインＣが他方の溶接ラインＤに交差する直前でアールラインを描いて他方の溶接ラインＤに一部が重なるようにレーザ溶接することにより、四角形形状のコーナー部分の接合強度が向上し、電池内圧の上昇に伴う板面の膨れが生じたときに最も破断圧力を受けるコーナー部分を補強することができる。更に、図８（ｅ）に示すように、コーナー部分において、一方の溶接ラインＣと他方の溶接ラインＤとが共にアールラインを描いて互いに一部が重なるようにレーザ溶接することにより、コーナー部分の接合強度をより向上させることができる。
【００３０】
フランジ部１３に蓋板１２をレーザ溶接することにより封止された凹部１５内には、段差部１６に形成された電解液注入口２８から所定量の電解液が注入され、注入完了後に電解液注入口２８には封栓２９が挿入され、段差部１６に封栓２９を溶接することにより凹部１５内は密封される。
【００３１】
上記のように形成された電池本体２０の蓋板１２に形成された前記窪み２３内には、吸液性又は吸液性且つ難破断性を有する吸液シート２７が薄肉部２４を被覆して貼着される。
【００３２】
上記のように形成された電池本体２０には、図９に示すように、樹脂成形によって形成された樹脂カバー２５が被せられ、樹脂フィルム３８を巻着することにより、図１に示した角形電池に形成される。
【００３３】
前記樹脂カバー２５には、段差部１６の外面上に固定されたＰＴＣユニット２６のホルダプレート３６上に開口する正極端子窓３１と、本体ケース１１底面の段差部１６が形成されていない部位上に開口する負極端子窓３２とが形成され、正極端子窓３１及び負極端子窓３２の部分には、前記樹脂フィルム３８が巻着されないように切り欠きが形成されているので、正極端子窓３１から正極外部接続端子となるホルダプレート３６が外部露出し、負極端子窓３２から負極外部接続端子となる本体ケース１１が外部露出するので、外部接続の用に供することができる。
【００３４】
上記構成になる角形電池は、極板の膨張や通常使用における内圧上昇が生じたとき、板厚が本体ケース１１より薄く形成された蓋板１２に膨らみが生じるが、蓋板１２に窪み２３が形成されていることにより、膨らみを窪み２３の形成深さ内で吸収して、角形電池全体の厚さに変化が生じないようにする。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明の通り本発明によれば、四角形半殻体に形成された本体ケース内に極板群を収容して蓋板によって封口する際の広い面積の周囲をレーザ溶接する工程を安定した接合状態に行うことができ、扁平な角形電池を効率よく製造することができる。特に、板厚の薄い蓋板側からの溶接エネルギーがより小さいレーザ溶接が可能で、極板群に対する熱影響がより緩和され、板面方向からレーザ照射する際の穴開き等の溶接不良を防止することができる。フランジ面より凸状態になっている部位がなく板面に直角方向から傾斜した角度方向からレーザ照射するときに、蓋板が本体ケースより薄く且つ、凸部位が照射角度の障害となることがない。また、前記窪みは位置決め部としての効果だけでなく、極板群の膨張、あるいは内圧の上昇により電池ケースに膨らみが生じたとき、膨らみを窪みの形成深さ内で吸収して、角形電池としての全体厚さに変化が生じないようにする効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る角形電池の外観形状を示す斜視図。
【図２】同上角形電池を構成する電池本体の外観形状を示す斜視図。
【図３】電池本体の構成を示す分解斜視図。
【図４】蓋板とフランジ部との間のレーザ溶接方法を示す斜視図。
【図５】フランジ部と蓋板との位置決め構造の例を示す部分断面図。
【図６】レーザ光の照射方向を説明する部分断面図。
【図７】仮固定のための点溶接を説明する平面図。
【図８】レーザ溶接ラインを説明する平面図。
【図９】外装体の構成を示す斜視図。
【図１０】ＰＴＣユニットの構成を示す断面図。
【図１１】従来技術に係る角形電池の構成を示す断面図。
【図１２】従来技術に係る角形電池の構成を示す分解斜視図。
【図１３】同上角形電池の溶接部位の構造を示す部分断面図。
【符号の説明】
１０電池ケース
１１本体ケース
１２蓋板
１３フランジ部
１４極板群
１５凹部
１６段差部

Claims

四角形半殻体の周縁部にフランジを形成した本体ケースの凹部内に極板群を収容し、前記フランジ上に本体ケースの凹部を位置決めして閉じるように、前記凹部の内寸に一致する外寸の窪みを持つ蓋板を配した後、フランジと蓋板との板面を重ね合わせた周辺部を、フランジと蓋板の板厚の薄い蓋板の側でかつ、板面に交差する方向からレーザ照射し、フランジと蓋板との間をレーザ溶接して凹部内を封口することを特徴とする角形電池の製造方法。
直交する辺に沿った一方の溶接ラインが他方の溶接ラインに交差するコーナー部位において、少なくとも一方の溶接ラインが他方の溶接ラインに交差する直前でアールラインを描いて他方の溶接ラインに重なるようにレーザ溶接する請求項１に記載の角形電池の製造方法。