JP5194354B2 - 扁平形電池の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、高温環境下に曝されても漏液することない高い耐漏液性を具備する扁平形電池およびその製造方法に関するものである。
電子機器のバックアップ用電源として使用する場合は、メモリ素子などと一緒にプリント基板上に実装されることから、その形状がコイン形、ボタン形等の扁平形電池が多く用いられている。それらの扁平形電池のプリント基板への実装は、はんだクリームを塗布した扁平形電池をプリント基板の所定の位置に装着した状態で、高温炉内を所定の時間で通過させることでプリント基板にはんだ付けを行う方法として、はんだリフロー方法(以下リフロー処理と称する)が行われている。
このため高温度環境下に曝されても漏液が発生することのない耐漏液性の高い扁平形電池が必要となる。耐漏液性を高める為には、電池ケースに封口板が収納される箇所を封口板を収納した後に所定の外径に縮径する縮径工法がある。扁平形電池に代表されるコイン形電池の縮径方法は、図10に示されるように正極材7と負極材2、セパレータ3、非水電解質(図示せず)及び封口板1、絶縁ガスケット4を電池ケース5に収納した後(以後カップリング後と称する)、上ピン30でこのカップリング電池9の封口板1と下ピン31で電池ケース5の軸方向に保持し固定した後、縮径金型33に挿入することによって、電池ケース5の側面を内側に押して電池ケース5を半径方向に縮径する。
次いで図11に示すように縮径後、カップリング電池9を上ピン30と下ピン31で挟み込み電池ケース5の開口部の終端を電池ケース5の内側へかしめるため、封口金型32に挿入する縮径工程とは別の封口工程を行うリドロー法や図12に示すスエージ法では、カップリング電池9を上ピン30と下ピン31で挟み込み、上ピン30と下ピン31に回転を与えることで、電池ケース5を回転させながら縮径金型33を電池ケース5の側面に押し当てて、電池ケース5の半径方向に縮径して、絶縁ガスケット4を所定の厚みに圧縮する。最後に別工程で図11に示されるように、電池ケース5の開口部の終端を電池ケース5の内側に変形させる方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、図13に示されるように電池ケース5の内部に正極活物質を有する正極材7と絶縁ガスケット4とセパレータ3とを組み付け、次に電解液(図示せず)を注入した後、負極活物質を有する負極材2と封口板1を電池ケース5に組み付けたカップリング電池9を封口金型32に挿入し、電池ケース5の開口部の終端を封口金型32に沿わせ電池ケース5の内側に向け変形させて、絶縁ガスケット4を介在して封口板1の周縁部に押し付けるように曲げ加工し、最後に別工程で電池ケース5の開口部の終端を電池ケース5の内側方向へさらに折り曲げる方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特開2004−79355号公報 特開2000−251850号公報
しかしながら、上述した特許文献1の従来技術では図11に示されるように縮径 後の電池ケース5の外形寸法と同寸法を有した封口金型32を用いなければならな い。
また、電池ケース5と封口金型32の入り口での接触を避けるために縮径後の電池ケー
ス5の外径より大きい内径の封口金型32を用いて電池ケース5の開口部の終端を電池ケース5の内側へ折り曲げると、電池ケース5の開口部の終端はかしまるものの、電池ケース5の外径は封口金型32の内径寸法に従い、縮径後の電池ケース5の外径よりも大きくなり、また封口板1と電池ケース5の間に介在させて圧縮させた絶縁ガスケット4も電池ケース5の外径に従い圧縮量が緩和される。このため、絶縁ガスケット4の側面部は電池ケース5の半径方向の全周にわたり均一な圧縮が得られ難い。
さらに、かしめ封口により電池ケース5の開口部を内側方向に折り曲げた終端と封口板1との間に介在する絶縁ガスケット4の開口部も絶縁ガスケット4の側面と同様に圧縮を施さなければ、リフロー処理後のような高温度環境下においては扁平形電池の内部に発生したガスにより封口板1が上昇し、電圧や内部抵抗等の電池特性が得られない不都合が生じる。
また、縮径後の電池ケース5の開口部若しくは電池ケース5の外径を封口金型32の口径と同寸法にすると、封口金型32へのカップリング電池9の挿入は、縮径後の電池ケース5のセンターと封口金型32のセンターが同軸上になるように電池ケース5を設置する必要があり、センター出しの精度が高い製造設備が必要となり生産性の向上は困難である。封口金型32のセンターと縮径後の電池ケース5のセンターが同軸上にない状態で、電池ケース5を封口金型32に挿入することにより電池ケース5の開口部は封口金型32の入り口部で接触し、電池ケース5の軸方向に力が作用するため、電池ケース5の開口部の終端の座屈、半径方向への変形、さらには傷が発生し外観の価値を低下させる不都合が生じる。
また、図12に示したスエージ方式では、電池ケース5の外周面全体に圧力を均等に付加することが難しく、縮径後の電池ケース5の真円度が低くなり、電池ケース5としての品位が低下する不都合が生じる。
また、特許文献2で開示されている方法では、図13に示されるように電池ケース5と封口板1を組み付けた際、両部品間にはクリアランスが生じ、封口後の扁平形電池にリフロー処理を施すような高温度環境下に曝されると電池ケース5と封口板1との間を通り電解液が漏れるという問題が生じる。
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、電池ケースの開口部に封口板を挿入後、電池ケースを縮径すると同時に、電池ケースの開口部の終端を電池ケースの内側へ折り曲げて、封口性能と密封性能の向上による耐漏液性を向上した扁平形電池およびその製造方法を提供することを目的とするものである。
上記目的を達成するために、本発明の扁平形電池は上部に開口部を有した容器状の電池ケースの内部に正極活物質からなる正極材が収納され、電池ケースの開口部が周縁部に絶縁ガスケットを有しリチウムを保持しうる材料を活物質としてなる負極材とセパレータを収納した封口板により密封される扁平形電池であって、電池ケースの側面を電池半径方向に縮径することにより絶縁ガスケットの側面が圧縮されており、絶縁ガスケットの側面の圧縮率と絶縁ガスケットの開口部の圧縮率が同じであり、電池ケースの開口部の終端がその電池ケースの内側にある封口板側に45°以上90°以下に傾けてかしめて封口をしたことを特徴としている。
本発明によれば、上部に開口部を有した容器状の電池ケースの内部に正極活物質からなる正極材が収納され、電池ケースの開口部が周縁部に絶縁ガスケットを有しリチウムを保持しうる材料を活物質としてなる負極材とセパレータを収納した封口板により密封される扁平形電池であって、電池ケースの開口部の終端がその電池ケースの内側にある封口板側
に45°以上90°以下に傾けてかしめて封口をしたことにより、封口性能と密封性能が向上し、高温度環境下に曝されても漏液が抑制され耐漏液性の高い電池が可能となる。
本発明の第の発明は、周縁部に絶縁ガスケットを有した封口板の内部にセパレータと負極材を収納する第1の工程と、前記封口板に非水電解液を注液した後、正極材を収納する第2の工程と、前記封口板に電池ケースを被せる第3の工程と、未封口の電池ケースを縮径金型に挿入しかしめて封口する第4の工程を有する扁平形電池の製造方法であって、前記第4の工程において、前記絶縁ガスケットの側面の圧縮率と前記絶縁ガスケットの開口部の圧縮率が同じとなるように、電池ケースの側面を電池半径方向に縮径すると同時に同一金型内で電池ケースの開口部を電池ケースの内側にある封口板側へ傾けてかしめて封口することにより、同一金型内で縮径し、かしめ封口をするため電池ケースの外径が膨張したり、電池ケースの外観の傷、電池ケースの開口部の終端の座屈がなく、電池ケースが電池ケース半径方向に圧縮されることで電池ケースと絶縁ガスケットと封口板との間に生ずるクリアランスが潰され、電池ケースと封口板との間に介在する絶縁ガスケットが均一に圧縮されて扁平形電池内部の密封性が向上し、非水電解液の漏れを抑制することが可能となる。本発明の第の発明は、第4工程において電池ケースを縮径金型に挿入する前に予め電池ケースの開口部の終端を電池ケースの内側にある封口板側へ傾けるように予備かしめ後、電池ケースの側面を電池ケースの半径方向に縮径すると同時に同一金型内で電池ケースの開口部の終端を電池ケースの内側にある封口板側へ傾けてかしめて封口することにより、縮径すると同時に電池ケースの開口部の終端を内側に折り曲げてかしめ封口する工程がスムーズになされ且つ確実にかしめ封口され、より一層の密封性を向上できる。
以下、本発明の最良の実施形態について説明する。図1は本発明の一実施形態に関わる扁平形電池に代表されるコイン形二次電池の全体構成を示した断面図である。
コイン形二次電池8は、ペレット状の正極材7とペレット状の負極材2と正極材7及び負極材2の間に配されたセパレータ3と正極材7と負極材2の間でリチウムイオンを移動させる非水電解質液(図示せず)と正極材7、負極材2、セパレータ3、非水電解液を収納する電池ケース5と電池ケース5の正極材等が収納された空間を密閉する絶縁ガスケット4と、さらに電池ケース5の外周面と絶縁ガスケット4の内周面に成膜されているシール膜(図示せず)とを備えている。
正極材7はリチウム・マンガン酸化合物を用いるがこれに限定されるものではなく、例えばリチウム複合酸化物、金属硫化物、金属酸化物、金属セレン化合物等の何れか一種以上を混合して用いることも可能である。
また、負極材2は、負極活物質となる板状の金属リチウムやリチウム合金を打ち抜いてペレット状に成形している。負極材2は、ペレット状の金属リチウムとリチウムと化合可能な金属若しくは化合物を貼り合わせた状態でコイン形二次電池の内部に収納し、放置しておくことでリチウム合金化したものを負極活物質として用いる。
次に、セパレータ4は、正極材7と負極材2との間を遮断し、両極材の接触による短絡を防止しつつ非水電解質中のリチウムイオンを通過させるものである。このセパレータ4は、熱変形温度が270℃以上の繊維樹脂状により形成された不織布であり、空孔率が10%〜50%、厚みが40μm〜200μmのものを用いる。ここでは、ポリフェニレンサルファイトを用いるが、これに限定されるものではなく、ポリエチレンテレフタート、ポリイミド、ポリアミド等が上げられ、何れか一種以上を用いることも可能である。
非水電解液には、ペンタグライム、テトラグライム等が上げられ、これらのうちの何れか一種以上を用いる。
また、電池ケース5は、正極材7を収納するシャーレ状の導電性金属からなる容器であり、正極材7と接触することでコイン形二次電池の外部正極となる。具体的には、電池ケース5には、ステンレス等からなる金属製の容器を用いるが、これに限定されるものではなく、例えばステンレス、アルミニウム、ニッケル等の金属を複数積層させた状態の金属製の容器等を用いることも可能である。
封口板1は、負極材2を収納するシャーレ状の導電性金属からなる容器であり、負極材2と接することでコイン形二次電池の外部負極となる。封口板1には、アルミニウムとステンレスとが貼り合わされたクラッド材等を用い、第1の金属層がアルミニウムとなるように形成する。負極材2が収納される側の面には、ペレット状の金属リチウムを貼り付け後にリチウム合金が形成される。
また、絶縁ガスケット4は、円環状に形成されており、電池ケース5と封口板1とを封口した際に電池ケース5と封口板1との間に生じる隙間に嵌め込まれるように取り付けられることで隙間を封止する。この絶縁ガスケット4は、熱変形温度が270℃以上の樹脂等によって形成されており、具体的にはポリフェニレンサルファイト樹脂を用いるが、これに限定されることなく、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリチレンテレフタート樹脂、ポリアリレート樹脂等も用いることができ、何れか一種又は複数種を混合して用いてもよい。
絶縁ガスケット4の外周側面と電池ケース5の内周側面には、シール膜としてシール剤(図示せず)が塗布されており、電池ケース5や封口板1と絶縁ガスケット4との間に生じる微小な隙間に入りこむことにより、さらにコイン形二次電池の内部空間の密閉性を高めている。シール剤には具体的には、熱変形温度が300℃以上程度のフッ素系の樹脂を用いる。またシール剤を調製する溶媒には、上述したフッ素系の樹脂を溶解させるもので、具体的にはシクロヘキサン等を用いる。
次に、本発明の一実施形態に関わる扁平形電池であるコイン形二次電池の製造方法について図を参照しながら詳細に説明する。
図2に示されるように本発明の第1の工程では、負極材2を封口板1に貼りつけ合金化させた後、封口板1の凹み面にセパレータ3を載せ、絶縁ガスケット4の内周面と封口板1の外周面が密接するように組み合わせ、組立封口板6を作製する。電池ケース5の内周側面と絶縁ガスケット4の外周側面は、所定量のシール剤が塗布されている。次いで第2の工程では組立封口板6の凹みを作った場所に所定量の非水電解液が注液され、続いて図3に示されるように正極7が載せられる。この状態で電池ケース5が被せられカップリングが終了し、カップリング電池9が作製され第3の工程が終了する。
図4に示されるようにカップリング電池9は、下ピン12上に電池ケース5の開口部を下向きにして設置した後、上ピン11でカップリング電池9をカップリング電池9の厚み方向で挟み込み、この上下ピン11,12でカップリング電池9を保持した状態で同図の矢印の方向へ押し下げられる。この際、電池ケース5は予備封口金型10の金型形状に沿って、電池ケース5の開口部の終端は内側へ曲げられることにより予備封口され、図5に示されるような予備封口電池13が作製される。
次いで、第4の工程では図6に示すように予備封口した予備封口電池13を縮径金型21に挿入し、電池ケース5の外径を製品要求寸法まで縮径すると同時に電池ケース5の開口部の終端を電池ケース5の内側に折り曲げ、電池ケース5と封口板1との間に介在する絶縁ガスケット4を圧縮する。
具体的には、先ず図6(a)に示す予備封口電池13を予備封口電池13の厚み方向に封口金型20と上ピン22で挟むように固定する。封口金型20と中ピン23は摺動する構造であり、中ピン23は圧縮バネ24で支持されているため、予備封口電池13を保持する際、中ピン23は電池ケース5と封口板1との間の距離だけ後退する。
次いで同図(b)に示されるように、同図(a)の状態での予備封口電池13を電池ケース5の外径より小さい内径を有する縮径金型21に挿入し、同図(c)に示した縮径金型21のストレート部25まで予備封口電池13を移動させながら絶縁ガスケット4の元の肉厚に対し、図1に示される絶縁ガスケット4の側面の圧縮部4aの厚みになるまで縮径する。この時、電池ケース5の底面に押し力を与えている上ピン22の動きを停止し、予備封口電池13と同軸上にある封口金型20で予備封口電池13の厚みを押しつぶす方向に押し力を与え、図1に示される絶縁ガスケット4の開口部の圧縮部4bの厚みを絶縁ガスケット4の側面の圧縮部4aと同程度の圧縮率がえられるまで押し圧する。
本発明では、押し圧量は中ピン23の後退量により決めることができ、予め中ピン23の後退量を設定しておくことで予備封口電池13の総高を可変とすることができる。さらに封口金型20は交換可能であり、要求扁平形電池の形状に合わせ、予備封口電池13の封口金型20の先端形状も選択することができる。
図6(c)に示されるように封口終了後のコイン形二次電池8は、上ピン22と封口金型20でコイン形二次電池8の軸方向に挟みこまれ、固定されているため、縮径金型21からコイン形二次電池の軸方向に抜く必要がある。抜き方向は、上ピン22が上昇する方向でも、下降する方向でも可能であり、限定されるものではないが、本発明においては、図6(d)に示されるように上ピン22が下方向へ移動する方向として、コイン形二次電池8を取り出す。
本発明での電池は、外径が4mmで、高さが1.4mmのコイン形二次電池であり、この電池をリフロー処理の余熱温度150〜200℃で、ピーク温度が210〜350℃の約10分間加熱する条件を施した。このコイン形二次電池の評価は、リフロー処理後から2日後に顕微鏡を用いて漏液の有無を確認し、さらにリフロー処理前のコイン形二次電池
の高さとリフロー処理後のコイン形二次電池の高さを測定し、コイン形二次電池の軸方向の膨張量を確認している。また、リフロー処理後にはコイン形二次電池の内部抵抗も測定した。
実施例1は、図4に示されるようにカップリング電池9を予備封口金型10に挿入し、電池ケース5と封口板1との間に挟まれた絶縁ガスケット4を図1に示される電池ケース5の開口部の終端と封口板1の第1の立上り部1aと第2の立上り部1bとの境にあるフランジ部1cの周縁部で圧縮しないように、電池ケース5を予備封口金型10に沿わせ、電池ケース5の開口部を0.6mmの半径で製作された予備封口金型12の予備封口成形部14で内側へ折り曲げる予備封口を施した。
次いで、予備封口電池13の絶縁ガスケット4の側面にある圧縮部4aが20%に圧縮させるため、図6(a)に示される縮径金型21に予備封口電池13を電池ケース5の底部から挿入し、予備封口電池13の外径を縮径しながら同図(c)に示される縮径金型21のストレート部25まで移動させ、上ピン22を固定し、図7(b)に示されるように先端部の傾斜角度Kが45°の先端形状を有する封口金型20のみを予備封口電池13の軸方向へ移動させ、電池ケース5の開口部の終端を内側への曲げ角度Kが45°になるように折り曲げ、電池ケース5と封口板1との間に介在する絶縁ガスケット4を圧縮した。
封口後のコイン形二次電池8は、図7(a)に示されるすように予備封口電池13の挿入方向と同方向へ移動させ取り出し、図1に示すように電池ケース5の開口部に円弧状の折り曲げ部5aを有して、内側方向への曲げ角度Kが45°であるコイン形二次電池を実施例1として作製した。
実施例2は、実施例1と同様の作製を行い、封口金型20は、図7(b)に示される封口金型20の先端部の傾斜角度Kが75°になるものを使用し、図8に示されるように電池ケース5の開口部の終端を曲げた曲げ角度Kが75°であるコイン形二次電池を実施例2として作製した。
実施例3は、実施例1と同様の作製を行い、封口金型20は、図7(b)に示される先端部の傾斜角度Kが90°になるものを使用し、図9に示されるように電池ケース5の開口部の終端を曲げた曲げ角度Kが90°であるコイン形二次電池を実施例3として作製した。
(比較例1)
比較例1は上記実施例と同様な縮径を行い、縮経後の封口工程では図11に示されるように縮径後の電池ケースの開口部が封口金型32の入り口部に触れて、縮径後の電池ケース5の開口部の終端が座屈しないようにするために、封口金型32の内径Pを図6(a)に示した縮径金型21の内径Qより0.02mmの大きな内径を持つ封口金型32を用い、封口してコイン形二次電池を比較例1として作製した。
(比較例2)
比較例2は、実施例1と同様の作製を行い、封口金型20は、図7(b)に示される封口金型20の先端部の傾斜角度Kが30°になるものを使用し、電池ケース5の開口部の終端を内側への曲げ角度Kを30°に折り曲げたコイン形二次電池を比較例2として作製した。以下の(表1)に結果を示す。
(表1)の結果から、実施例1から実施例3においては縮径と封口を同一金型内でおこない、電池ケースの開口部の終端の曲げ角度は45°以上90°以下の曲げ角度を持たすことでリフロー処理後に漏液が無く、コイン形二次電池の軸方向の膨張もなかった。また、内部抵抗値についても良く、良好な電池特性であった。
しかしながら、比較例1では実施例と変わらない内部抵抗値を示したが、リフロー処理後に漏液が10%と発生しており、別工程とした封口で電池ケースの開口部を電池ケースの内側へ折り曲げた際に、電池ケースの外径が縮径金型の内径より大きい別工程の封口金型の内径に沿って電池ケースの半径方向に膨張したために、絶縁ガスケットの圧縮が緩和され、圧縮率の均一性が失われ、電池ケースと絶縁ガスケットとの間の隙間を適切に封止できず、漏液が生じたと考えられる。
また、比較例2ではリフロー処理後の漏液は発生していなかったが、内部抵抗値が測定不可能な値を示し、要求される電池特性が得られなかった。これは、予備封口後に電池ケース開口部の終端を電池内側へ折り曲げ、電池ケースと封口板との間に介在する絶縁ガスケットの圧縮率の均一性が失われ、リフロー処理後にコイン形二次電池の内部に発生したガスの圧力が上昇することで、実施例時では封口時に押えられていた封口板が0.03mm持ち上げられ、コイン形二次電池の内部に収納した材料同士の接触が不十分となることで内部抵抗が大きくなり、良好な電池特性が得られなかったと考えられる。
以上より、本発明の扁平電池では予備封口後の電池ケースの側面を同一金型内で縮径し、さらに電池ケースの開口部を電池ケースの内側へ45°〜90°の間で折り曲げるかしめ封口を行うことにより、封口板の周縁部に具備された絶縁ガスケットの圧縮率のバラツキを無くし、電池ケースと絶縁ガスケットおよび絶縁ガスケットと封口板との間に生じる隙間をなくすことができ、密閉性能を高めることができる。
従い、リフロー処理が施されても密封性が低下することなく、リフロー処理後に発生する漏液を防止することができる。
本発明によれば、上部に開口部を有した容器状の電池ケースの内部に正極活物質からなる正極材が収納され、電池ケースの開口部が周縁部に絶縁ガスケットを有しリチウムを保持しうる材料を活物質としてなる負極材とセパレータを収納した封口板により密封される扁平形電池であって、電池ケースの開口部の終端がその電池ケースの内側にある封口板側に45°以上90°以下に傾けてかしめて封口をしたことにより、リフロー処理に代表される高温環境下での耐漏液性を高めることができ、さらには生産性を向上させることができる扁平形電池となる。
本発明の一実施形態におけるコイン形二次電池の断面図 同実施例における組立封口板の断面図 同実施例における電池ケースに組立封口板を収納した時(カップリング時)の断面図 同実施例における予備封口時の状態図 同実施例における予備封口された予備封口電池の断面図 (a)同実施例における縮径工程を行う前の状態図、(b)同縮径工程時の状態図、(c)同封口工程時の状態図、(d)同コイン形二次電池の取り出し時の状態図 (a)同実施例におけるコイン形二次電池を取り出した時の状態図、(b)同封口金型の先端部の詳細図 同実施形態における別実施例のコイン形二次電池の断面図 同実施形態における別実施例のコイン形二次電池の断面図 従来例の縮径工程時の状態図 従来例の封口工程時の状態図 従来例の縮径工程時の状態図 従来例の別封口工程時の状態図
符号の説明
1 封口板
1a 第1の立上り部
1b 第2の立上り部
1c フランジ部
2 負極材
3 セパレータ
4 絶縁ガスケット
4a 絶縁ガスケット側面の圧縮部
4b 絶縁ガスケット開口部の圧縮部
5 電池ケース
5a 折り曲げ部
6 組立封口板
7 正極材
8 コイン形二次電池(扁平形電池)
9 カップリング電池
10 予備封口金型
11 上ピン
12 下ピン
14 予備封口金型の予備封口成形部
13 予備封口電池
20 封口金型
21 縮径金型
22 上ピン
23 中ピン
24 圧縮バネ
25 縮径金型のストレート部
30 上ピン
31 下ピン
32 封口金型
33 縮径金型

Claims (2)

  1. 周縁部に絶縁ガスケットを有した封口板の内部にセパレータと負極材を収納する第1の工程と、前記封口板に非水電解液を注液した後、正極材を収納する第2の工程と、前記封口板に電池ケースを被せる第3の工程と、未封口の電池ケースを縮径金型に挿入しかしめて封口する第4の工程を有する扁平形電池の製造方法であって、前記第4の工程において、前記絶縁ガスケットの側面の圧縮率と前記絶縁ガスケットの開口部の圧縮率が同じとなるように、電池ケースの側面を電池半径方向に縮径すると同時に同一金型内で電池ケースの開口部を電池ケースの内側にある封口板側へ傾けてかしめて封口することを特徴とする扁平形電池の製造方法。
  2. 第4工程において電池ケースを縮径金型に挿入する前に予め電池ケースの開口部を電池ケースの内側にある封口板側へ傾けるように予備かしめ後、電池ケースの側面を電池半径方向に縮径すると同時に同一金型内で電池ケースの開口部を電池ケースの内側にある封口板側へ傾けてかしめて封口することを特徴とする請求項に記載の扁平形電池の製造方法。
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