JP5336023B1 - 角形二次電池 - Google Patents

Abstract

本発明の課題は、電池缶２に電解液を注入しやすく、封止が容易な構造の角形二次電池１を得ることである。本発明は、電池缶２に電極群４が収容され、電池缶２の開口部２ａが電池蓋３で封口された角形二次電池１であって、電池蓋３を貫通して互いに隣接する複数の貫通孔２１、２２を有する注液部７と、注液部７に取り付けられて複数の貫通孔２１、２２を一体に封止する封止部８とを有する。

Description

本発明は、例えば車載用の二次電池として使用される角形二次電池に関する。

近年、電気自動車等の動力源として、エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池の開発が進められている。リチウムイオン二次電池は、種々の形状を有したものが存在するが、そのなかで角形二次電池は、体積効率が高く、車載用途として採用されている。例えば特許文献１には、扁平に捲回した電極群を、捲回軸を横にして深絞りの電池缶に収納した構造が開示されている。この構造では、電池缶には発電要素群を挿入するための開口面が設けられており、電池蓋によって封口されている。電池蓋には、電池缶内に電解液を注入するための貫通孔が穿設されており、電池蓋で電池缶の開口面を封口した後に、貫通孔に注液ノズルを挿入して電解液を注入できるようになっている。この貫通孔は、電解液の注入後に、封止栓によって封止される。

特開２０１１-１６５４３６号公報

特許文献１に記載されている構造では、貫通孔が１つであるため、電解液を注入する際に、電池缶内部の空気の逃げ道が注液口と注液ノズルとの隙間に限定され、電解液が入りにくいという問題点や空気の逃げ道に電解液の膜ができて、電解液の飛散が起こるなどの問題点がある。また、注液用と排気用の２つの貫通孔を設けた場合、２つの封止栓を用いてそれぞれ封止を行なう必要がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電池缶に電解液を注入しやすく、封止が容易な構造の角形二次電池を提供することである。

上記課題を解決するために、例えば請求の範囲に記載の構成を採用する。本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、電池缶に電極群が収容され、電池缶の開口部が電池蓋で封口された角形二次電池であって、電池蓋を貫通して互いに隣接する複数の貫通孔を有する注液部と、注液部の複数の貫通孔を一体に封止する封止部とを有することを特徴としている。

本発明の角形二次電池によれば、電解液を注入しやすく、かつ、封止が容易な構造の角形二次電池を提供することができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第１実施の形態に係わる角形二次電池の斜視図。 第１実施の形態に係わる角形二次電池の分解斜視図。 第１実施の形態に係わる角形二次電池の要部を拡大して示す平面図。 図３ＡのＡ１−Ａ１線断面図。 注液部を封止栓で封止した状態を示す断面図。 第１実施の形態に係わる注液工程を示す概念図。 第２実施の形態に係わる二次電池の要部を拡大して示す平面図。 図６ＡのＡ２−Ａ２線断面図。 注液部の注入用貫通孔に注入ノズルを挿入した状態を示す断面図。 第３実施の形態に係わる二次電池の要部を拡大して示す平面図。 図８ＡのＡ３−Ａ３線断面図。

本実施の形態に係わる角形二次電池は、電池缶に電極群が収容され、電池缶の開口部が電池蓋で封口された角形二次電池であって、電池蓋を貫通して互いに隣接する複数の貫通孔を有する注液部と、注液部の複数の貫通孔を一体に封止する封止部とを有することを特徴としている。

［第１実施の形態］
次に、本実施の形態の角形二次電池の構成について図を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下では、便宜上、角形二次電池１の電池蓋３側を上側、電池缶２の缶底側を下側として説明するが、角形二次電池１の姿勢状態を限定するものではない。

図１は、本実施の形態に係わる角形二次電池の全体構成を説明する図、図２は、図１に示す角形二次電池の分解斜視図である。

角形二次電池１は、リチウムイオン二次電池であり、図１および図２に示すように、電池缶２と電池蓋３を備えている。電池缶２は、長方形の底壁面ＰＢと、底壁面ＰＢの二つの長辺部でそれぞれ折曲されて対峙する一対の幅広側壁面ＰＷと、底壁面ＰＢの二つの端辺部でそれぞれ折曲されて対峙する一対の幅狭側壁面ＰＮとを有する角形形状を有しており、上部には、上方に向かって開放された矩形の開口部２ａが形成されている。

電池缶２には、後述する電極群４が収容されている。そして、電池缶２の開口部２ａが、電池蓋３によって封口されている。電池蓋３は、一対の幅広側壁面ＰＷの上端部間および一対の幅狭側壁面ＰＮの上端部間に亘って電池缶２の開口部２ａを閉塞する矩形平板形状を有している。電池缶２と電池蓋３は、共にアルミニウム合金で製作されており、レーザー溶接によって液密に溶接されて、直方体形状の密閉容器を構成する。

電池蓋３には、絶縁部材を介して正極端子５Ａと負極端子５Ｂが配設されている。正極端子５Ａと負極端子５Ｂは、電池蓋３の長辺方向一方側と他方側に離れて配設されている。この正極端子５Ａと負極端子５Ｂを介して電極群４から外部負荷に電力が供給され、また、外部で発電された電力が電極群４に充電される。

そして、電池蓋３には、正極端子５Ａ及び負極端子５Ｂの他に、ガス排出弁６と注液部７が配設されている。ガス排出弁６は、電池蓋３の長辺方向中央位置に配置され、注液部７は、ガス排出弁６と負極端子５Ｂとの間の位置に配置されている。

ガス排出弁６は、電池容器内の圧力が所定値よりも上昇すると開放されて、電池容器内のガスを排出して電池容器内の圧力を低減し、角形二次電池１の安全性を確保する構成を有している。

注液部７は、電池缶２の開口部２ａを電池蓋３で封口した後に、電池缶２内に電解液を注入するのに用いられるものである。電解液の注入は、注液用ノズル１０１（図５参照）を用いて行われる。注液部７は、電池缶２内に電解液を注入した後、封止部８によって封止される。

注液部７は、電池蓋３を貫通して互いに隣接する複数の貫通孔を有している。本実施の形態では、複数の貫通孔として、孔径大貫通孔と、孔径小貫通孔を有しており、孔径大貫通孔の方が孔径小貫通孔よりも孔径が大きくなっている。そして、孔径大貫通孔を電池缶２内に電解液を注入するための注入用貫通孔２１として用い、孔径小貫通孔を電池缶２内の空気を排出するための排気用貫通孔２２として用いている。注入用貫通孔２１と排気用貫通孔２２は、封止部８を構成する１個の封止栓３１（図３参照）によって閉塞される。

角形二次電池１の電池缶２内には、図２に示すように、絶縁シート９を介して電極群４が収容されている。電極群４は、正極と負極を間にセパレータを介在させて捲回することによって構成されている。電極群４は、一対の幅広面と一対の幅狭面を有する扁平形状を有しており、電極群４の捲回軸方向一方側の端部には、正極金属箔露出部からなる正極接続部４Ａが形成され、電極群４の捲回軸方向他方側の端部には、負極金属箔露出部からなる負極接続部４Ｂが形成されている。

正極接続部４Ａは、正極集電板１１Ａを介して正極端子５Ａに接続され、負極接続部４Ｂは、負極集電板１１Ｂを介して負極端子５Ｂに接続される。正極集電板１１Ａは、正極端子５Ａに一端が接続され、正極端子５Ａから電池缶２の缶底に向かって延出して、他端が正極接続部４Ａに接続される。負極集電板１１Ｂは、負極端子５Ｂに一端が接続され、負極端子５Ｂから電池缶２の缶底に向かって延出して、他端が負極接続部４Ｂに接続される。

正極端子５Ａと正極集電板１１Ａは、アルミニウム合金で製作され、負極端子５Ｂと負極集電板１１Ｂは、銅合金で製作されている。正極端子５Ａと正極集電板１１Ａ、および、負極端子５Ｂと負極集電板１１Ｂは、それぞれ電池蓋３との間に絶縁性シール部材（ガスケット）１２Ａ、１２Ｂおよび絶縁部材１３Ａ、１３Ｂが介在されており、電池蓋３から電気的に絶縁されている。電池蓋３には、絶縁性シール部材（ガスケット）１２Ａ、１２Ｂが係合する貫通穴３ａ、３ｂが開口形成されている。

次に、注液部７および封止部８の構成について図３Ａ、図３Ｂ、図４を参照して詳細に説明する。

注液部７は、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、電池蓋３の表面３ｃに凹設された凹部２３を有している。凹部２３は、図３Ａに示すように、平面視楕円形を有しており、楕円長軸が電池蓋３の長辺方向に沿うように設けられている。凹部２３は、図３Ｂに示すように、一定深さを有しており、楕円周状の側壁面２３ａと、平面状の底面２３ｂを有している。凹部２３の底面２３ｂには、注入用貫通孔２１の上端部と排気用貫通孔２２の上端部がそれぞれ開口している。注入用貫通孔２１の下端部と排気用貫通孔２２の下端部は、電池蓋３の裏面３ｄに開口している。

注入用貫通孔２１と排気用貫通孔２２は、注入用貫通孔２１の上端部と排気用貫通孔２２の上端部の周囲に、それぞれ全周に亘って凹部２３の底面２３ｂが存在する位置に設けられている。すなわち、凹部側壁面２３ａとの間に、必ず底面２３ｂを介する位置に、注入用貫通孔２１の上端部と排気用貫通孔２２の上端部が開口するように形成されている。

したがって、後述する封止部８の封止栓３１を凹部２３に取り付けた場合に、封止栓３１の下面３１ａと凹部２３の底面２３ｂとが接面して、密閉の信頼性を向上させることができる。なお、注入用貫通孔２１または排気用貫通孔２２の外形が、凹部２３の側壁面２３ａに内接して形成してもよい。

注入用貫通孔２１は、注液ノズル１０１（図５参照）の先端径よりも大きいことが必要であるが、電解液が漏れ出るのを防ぐため等の理由から注入用貫通孔２１と注液ノズル１０１との隙間は小さい方が好ましい。

注入用貫通孔２１と排気用貫通孔２２は、より多くの電解液を短時間で円滑に注入できるようにするために、注入用貫通孔２１の方が排気用貫通孔２２よりも孔径が大きくなっている。注入用貫通孔２１と排気用貫通孔２２は、凹部２３の楕円長軸方向に並んで配置されている。そして、電池缶２の幅狭側壁面ＰＮに近い側に注入用貫通孔２１が配置されており、注液ノズル１０１から注入された電解液を電池缶２の缶底に向かって積極的に導いて電池缶２内に貯留させることができるようになっている。

電解液を注液した後、注入用貫通孔２１と排気用貫通孔２２は、封止部８によって一体に封止される。封止部８は、単一の封止栓３１によって構成されている。封止栓３１は、凹部２３に嵌合可能な平面視楕円形の板状部材により構成されており、凹部２３に嵌合された状態で凹部２３の底面２３ｂに接面して注入用貫通孔２１と排気用貫通孔２２の両方を閉塞する下面３１ａと、凹部２３の側壁面２３ａに対向する外側面３１ｂと、電池蓋３の表面３ｃと面一となる上面３１ｃを有している。

封止栓３１は、凹部２３に嵌合されて、溶接部ｗが外側面３１ｂに沿って全周に亘って形成されるように電池蓋３に溶接される。封止栓３１は、図４に示すように、封止栓３１の下面３１ａが凹部２３の底面２３ｂに接面した状態で溶接されるので、面接触している面積をより広く確保することができる。そして、注入用貫通孔２１の上端部と排気用貫通孔２２の上端部の周囲には、それぞれ全周に亘って凹部２３の底面２３ｂが存在しているので、注入用貫通孔２１の上端部の周囲と排気用貫通孔２２の上端部の周囲の全周に亘って封止栓３１の下面３１ａを接面させることができ、密閉の信頼性を向上させることができる。

次に、本実施の形態における電解液の注入プロセスについて図５を参照して説明する。

電解液は、注液ノズル１０１を用いて電池缶２内に注入される。図示しない注液装置に、電池蓋３が溶接された電池缶２が設置され、注入用貫通孔２１に注液ノズル１０１の先端が挿入される。その際、注液ノズル１０１の先端が電池缶２内で電極群４に接触しないように注液ノズル１０１の高さ位置の調整が行われる。注液ノズル１０１は、図示しない電解液を貯蔵したタンクと電解液の吐出速度及び注液量を制御するためのシリンジに配管等で連結されており、注液ノズル１０１の先端から電解液を吐出させて、電池缶２内に注入する。

注液ノズル１０１から電池缶２内に注入された電解液は、電池缶２内で電極群４と電池缶２の隙間に沿って、電池缶２の缶底側へ流れ、電池缶２内に貯留される。そして、電極群４が浸漬する位置に液面が配置されるように、注入量が調節される。

電池缶２の幅広側壁面ＰＷと電極群４の幅広面との隙間は、電池缶の幅狭側壁面ＰＮと電極群４の捲回軸方向両側の幅狭面との隙間よりも狭くなっており、注液ノズル１０１から電池缶２内に注入された電解液は、その殆どが図５に示すように電極群４の上面で二股に分かれて、電極群４の上面に沿って電池缶２の幅方向両側の幅狭側壁面ＰＮに向かって流れる。そして、電池缶２の幅狭側壁面ＰＮと電極群４の幅狭面との間を通過して、電池缶２の缶底側に流れ、電池缶２に貯留される。

本実施の形態では、排気用貫通孔２２よりも電池缶２の幅狭側壁面ＰＮに近い側に注入用貫通孔２１が配置されているので、注液ノズル１０１から注入された電解液を電池缶２の缶底に向かって積極的に導いて電池缶２内に迅速に注入することができる。

電池缶２内に電解液を短時間で安定して注入するためには、電池缶２内部で電解液と置換した空気が効率よく電池缶２の外に排出されることが好ましい。空気の排出が不十分な場合、電解液が電池缶２内に円滑に注入されなくなり、電池缶２の外に電解液が飛散して注液量が不安定となる。また、電池蓋３の凹部２３に飛散した電解液が残存すると、電池蓋３に封止栓３１を溶接するときに残存した電解液が蒸発して、適切な溶接を妨げるおそれがある。

本実施の形態では、注入用貫通孔２１に隣接した位置に排気用貫通孔２２が設けられており、電池缶２内の空気が排気用貫通孔２２を通過して電池缶２の外に排出されるため、電解液を電池缶２内に円滑に注入することができる。したがって、電池缶２の外に電解液が飛散するのを防いで、注液量を安定させることができる。また、電解液が飛散して電池蓋３の凹部２３に付着するのを防ぎ、封止栓３１の溶接に不具合が発生する要因を排除できる。

注液部７は、１個の封止栓３１によって１回のプロセスで封止される。封止栓３１は、凹部２３に嵌合されて、封止栓３１の下面３１ａが凹部２３の底面２３ｂに接面した状態とされる。そして、レーザー溶接によって、封止栓３１の外側面３１ｂと凹部２３の側壁面２３ａの間が全周に亘って溶接される。

上記構成を有する角形二次電池１によれば、注液部７が注入用貫通孔２１と排気用貫通孔２２を有しているので、電解液を円滑に注入することができる。そして、注液部７の凹部２３に封止栓３１を嵌合させて、注入用貫通孔２１と排気用貫通孔２２の両方を１個の封止栓３１でまとめて一体に閉塞しているので、注液部７を容易に封止できる。

なお、本実施の形態では、平面視楕円形の封止栓３１を、自動省力機器を用いて、電池蓋３の凹部２３に精度よく嵌合させるために、封止栓３１の上面３１ｃと電池蓋３の表面３ｃに、それぞれ画像認識用の位置合わせマーキング３２、３３が設けられている。

また、本実施の形態では、凹部２３は、平面視楕円形を有しているが、陸上競技用のトラック形状や、矩形状、多角形状であってもよく、その外形形状は本実施の形態の構成に限定されるものではない。

さらに、本実施の形態では、排気用貫通孔２２の孔径よりも注入用貫通孔２１の孔径を大径としているが、これは、注液ノズル１０１の吐出穴の断面積と排気用貫通孔２２の開口面積を同程度とした場合、必然的に注液ノズル１０１の肉厚分だけ注入用貫通孔２１を大きくしたものであり、かかる構成に限定されるものではなく、例えば、排気用貫通孔２２は、注入用貫通孔２１よりも大径であってもよく、また、排気用貫通孔２２は、円形だけではなく、矩形、多角形でもよい。

［第２実施の形態］
次に、第２実施の形態について図６Ａ、図６Ｂ、図７を用いて以下に説明する。なお、第１実施の形態と同様の構成要素には、同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

本実施の形態において特徴的なことは、注液部７が、電池蓋３の裏面に凸設された凸部３ｅを有しており、凸部３ｅの先端に注入用貫通孔２１の下端部が開口し、電池蓋３の裏面に排気用貫通孔２２の下端部が開口している構成としたことである。

注液部７は、図６Ａ、図６Ｂに示すように、注入用貫通孔２１と排気用貫通孔２２を有している。注入用貫通孔２１と排気用貫通孔２２は、互いに隣接して設けられており、各上端部が凹部２３の底面２３ｂに開口している。

そして、排気用貫通孔２２の下端部は、電池蓋３の裏面３ｄに開口しているが、注入用貫通孔２１の下端部は、電池蓋３の裏面３ｄに突設された凸部３ｅの先端に開口しており、注入用貫通孔２１の下端部の方が排気用貫通孔２２の下端部よりも下方に位置するように構成されている。

例えば、注液プロセスの時間短縮のため、注入用貫通孔２１に挿入された注液ノズル１０１から吐出される電解液の吐出速度を速くした場合に、電池缶２内で電解液が飛散することが想定される。本実施の形態では、図７に示すように、注入用貫通孔２１の下端部が、排気用貫通孔２２の下端部よりも下方に位置するように高低差を有して配置されているので、注液ノズル１０１から吐出された電解液が排気用貫通孔２２に向かって飛散するのを効果的に防ぐことができる。したがって、電池缶２内の空気を排気用貫通孔２２から安定して排出することができ、電解液を安定して注入することができる。

［第３実施の形態］
次に、第３実施の形態について図８Ａ、図８Ｂを用いて以下に説明する。なお、上述の各実施の形態と同様の構成要素には、同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

本実施の形態において特徴的なことは、第２実施の形態における凹部２３と封止栓３１の形状を、楕円形状から円形状に変更し、注入用貫通孔２１を凹部２３の円中心位置に配置するとともに、排気用貫通孔２２を注入用貫通孔２１の側方に配置したことである。

本実施の形態では、排気用貫通孔２２は、注入用貫通孔２１を間に介して電池蓋３の長辺方向に離間するように、２個配置されている。したがって、第２実施の形態と比較して排気用貫通孔２２の個数が増えており、複数の方向から空気を排出することができる。

したがって、電池缶２内の空気を安定して排出することができ、電解液を安定して注入することができる。また、封止栓３１が円形状なので、楕円形状と比較して容易に形成することができ、また、嵌合させる際に、凹部２３に対して向きを合わせる必要がなく、かかる嵌合作業を容易にすることができる。尚、図８では封止栓３１の形状を円形としているが、楕円形状にすることも可能である。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 角形二次電池
２ 電池缶
３ 電池蓋
３ｅ 凸部
４ 電極群
７ 注液部
８ 封止部
２１ 注入用貫通孔（孔径大貫通孔）
２２ 排気用貫通孔（孔径小貫通孔）
２３ 凹部
３１ 封止栓
３２、３３ 位置合わせマーキング

Claims (9)

1. 電池缶に電極群が収容され、前記電池缶の開口部が電池蓋で封口された角形二次電池であって、
   前記電池蓋を貫通して互いに隣接する複数の貫通孔を有する注液部と、
   該注液部に取り付けられて前記複数の貫通孔を封止する封止部と、
   を有し、
   前記注液部は、前記電池蓋の表面に凹設された凹部を有し、該凹部の底面に前記複数の貫通孔の上端部がそれぞれ開口しており、
   前記封止部は、前記凹部に嵌合されて前記凹部の底面に接面し、前記複数の貫通孔を一体に閉塞する封止栓を有することを特徴とする角形二次電池。
2. 前記複数の貫通孔は、孔径大貫通孔と孔径小貫通孔を有しており、
   孔径大貫通孔の孔径は孔径小貫通孔の孔径より大きいことを特徴とする請求項１に記載の角形二次電池。
3. 前記注液部は、前記凹部が平面視楕円形を有しており、
   前記複数の貫通孔が前記凹部の楕円長軸方向に並んで配置されていることを特徴とする請求項２に記載の角形二次電池。
4. 前記注液部は、前記凹部が平面視円形状を有しており、
   前記孔径大貫通孔が前記凹部の円中心位置に配置され、
   前記孔径小貫通孔が前記凹部内でかつ前記凹部の円中心位置に配置された前記孔径大貫通孔の側方位置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の角形二次電池。
5. 前記注液部は、前記電池蓋の裏面に凸設された凸部を有しており、
   該凸部の先端に前記孔径大貫通孔の下端部が開口し、
   前記電池蓋の裏面に前記孔径小貫通孔の下端部が開口していることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の角形二次電池。
6. 前記孔径大貫通孔が注入用貫通孔であり、
   前記孔径小貫通孔が排気用貫通孔であることを特徴とする請求項２に記載の角形二次電池。
7. 前記電極群は、一対の幅広面と一対の幅狭面とを有する扁平形状を有し、
   前記電池缶は、長方形の底壁面と、該底壁面の長辺部で折曲されて対峙し前記電極群の各幅広面に対向する一対の幅広側壁面と、前記底壁面の端辺部で折曲されて対峙し前記電極群の各幅狭面に対向する一対の幅狭側壁面とを有する角形形状を有し、
   前記電池蓋は、前記一対の幅広側壁面の上端部間および前記一対の幅狭側壁面の上端部間に亘って前記電池缶の開口部を閉塞する矩形平板形状を有し、
   前記注液部は、前記排気用貫通孔よりも前記注入用貫通孔の方が前記電池缶の幅狭側壁面に接近した位置に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の角形二次電池。
8. 前記複数の貫通孔は、該各貫通孔の上端部の周囲に全周に亘って前記底面が存在する位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の角形二次電池。
9. 前記電池蓋と前記封止部には、互いの位置を合わせるための位置合わせマーキングが付されていることを特徴とする請求項１に記載の角形二次電池。
   
   

Images