JP5452151B2

JP5452151B2 - 密閉型電池

Info

Publication number: JP5452151B2
Application number: JP2009225161A
Authority: JP
Inventors: 欣也青田; 豊佐藤; 浩一梶原
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2029-09-29
Also published as: JP2011076784A

Description

本発明は、密閉型電池に関する。

近年、携帯型電子機器や電気自動車等の動力源として、エネルギー密度（Ｗｈ／ｋｇ）の高いリチウムイオン二次電池が開発されており、その中でも体積エネルギー密度（Ｗｈ／Ｌ）の高い角形二次電池が注目されている（例えば、特許文献１,２参照）。

特許文献１,２に記載の電池は密閉型電池であって、密閉型電池の蓋に設けた注液口から電池内部に電解液を注入した後に、注液口に注液栓を挿入して密閉している。その際、注液口の勘合部と注液栓とをレーザー溶接している。

特開２００８−１０２６４号公報特開２００７−３２３８６０号公報

ところで、レーザー溶接部の強度を向上させるには、溶込みを深くする必要がある。しかし、溶込みを深くすると蓋の内側まで溶融してしまうおそれがあった。そのため、蓋が薄い場合には溶込みが浅くならざるを得ず、溶接部の強度が弱く、電池の耐圧性が低下する問題があった。

本発明に係る密閉型電池は、電池発電要素群が収納される容器と、容器の壁部の一部が容器内側に落ち込んだ窪みである第１の凹部と、第１の凹部の底面壁部の一部が容器内側に落ち込んだ窪みであって、該窪みの底面に電解液を注入するための開口が形成された第２の凹部と、開口に挿入される栓部と第２の凹部の底面に載置される平板状のフランジ部とを有する封止栓と、を備え、フランジ部は、該フランジ部の底面が第２の凹部の底面に当接するように載置され、該フランジ部の側周と第２の凹部の側周とが溶接されることによって開口が封止栓により封止され、第１の凹部の深さは、フランジ部の側周と第２の凹部の側周との溶接部分が容器の外表面よりも突出しないような深さに設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、封止栓を容器に溶接して電解液注入用の開口を封止する密封型電池において、封止栓の溶接部の強度向上を図ることができる。

密閉型電池の外観を示す斜視図であり、（ａ）は電池の蓋側を示し、（ｂ）は電池の裏面側を示す。密閉型電池の内部構成を示す分解斜視図である。捲回群１５の構成を説明する図である。注液栓２と凹部４とを示す断面図であり、（ａ）はレーザー溶接前の状態を示し、（ｂ）はレーザー溶接後を示す。従来の密閉型電池における注液栓の構造の一例を示す図であり、（ａ）は溶接前の断面図、（ｂ）は溶接後の断面図である。第１の変形例を示す断面図であり、（ａ）は溶接前を示し、（ｂ）は溶接後を示す。第１の変形例において余盛の突出量を小さく抑える構造を示す図であり、（ａ）は溶接前を示し、（ｂ）は溶接後を示す。第２の変形例を示す図である。注液栓２の配置を説明する断面図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は本実施の形態における密閉型電池の外観を示す斜視図であり、（ａ）は電池の蓋側（ここでは、表面側と呼ぶ）を示し、（ｂ）は電池の裏面側を示す。密閉型電池は電池発電要素群を容器内に密閉したものであり、図１に示す缶２０および蓋１によって容器が構成されている。容器は扁平な略直方体形状をしている。浅底型の缶２０は扁平状の有底矩形筒を成しており、缶２０の内部に電池発電要素群が収容される。缶２０の開口部に蓋１を溶接により取り付けることで、容器は密閉される。

略直方体形状をした缶２０の、長手方向側面の一方には負極端子２３が配置され、それと反対側の側面には正極端子２２が配置されている。正極端子２２および負極端子２３は、絶縁樹脂２４を介して缶２０に固定される。缶２０の長手方向と直交する方向の側面の一方には、電池容器内の内圧が上昇したときに作動する開裂弁２１が設けられている。蓋１の、正極端子２２の近傍には、凹部４が形成されている。凹部４内部には開口４３が形成され、その開口４３は注液栓２により封止される。

図２は、図１に示した密閉型電池の内部構成を示す分解斜視図である。缶２０は長方形の底面を有する浅底型容器を成しており、その長方形開口部は蓋１によって密閉される。缶２０の内部には電池発電要素群である捲回群１５と、捲回群１５と蓋１との間に配置される絶縁シート１６Ａと、捲回群１５と缶２０との間に配置される絶縁シート１６Ｂとを備えている。

捲回群１５は、図３に示すように、両面に正極材１１が塗工された正極箔１４と、両面に負極材１２が塗工された負極箔１３とを有している。正極箔１４と負極箔１３との間にはセパレータ１０が挟み込まれ、それらを扁平状に捲回することにより捲回群１５が形成される。すなわち、渦巻き状に捲回された捲回群１５は、捲回の軸に沿って扁平になっている。

図２に戻って、扁平状の捲回群１５の長手方向両側には、正極未塗工部１９および負極側未塗工部２５が形成されている。正極未塗工部１９の表裏両側には正極当板１７および正極集電板１８が配置され、それらを超音波接合により接合して一体化することで、正極側の集電部が形成される。同様に、負極側未塗工部２５の表裏両側には負極当板２６と負極集電板２７とが配置され、それらを超音波接合により接合して一体化することで、負極側の集電部が形成される。

蓋１には、電解液を注入するための開口４３が形成された凹部４が形成されている。凹部４の開口４３は、電解液を注入した後には注液栓２により封止される。注液栓２は凹部４内に配置され、レーザー溶接される。蓋１上において、凹部４は、捲回群１５の正極当板１７（すなわち正極側集電部）と対向する位置に形成されている。缶２０と蓋１とはレーザー溶接により密封される。

図４は、注液栓２と凹部４とを詳細に示す断面図である。図４（ａ）はレーザー溶接する前の状態を示す断面図で、図４（ｂ）はレーザー溶接後の断面図である。凹部４は、金属板材から成る蓋１を２段の深絞り加工することにより形成される。凹部４は、１段目の凹部４１と２段目の凹部４２とを有している。電解液を注入するための開口４３は、２段目の凹部４２の底面部分に形成されている。蓋１の材質としては、例えば、ＪＩＳ規格Ａ３００３のアルミニウム合金が使用される。

注液栓２は、開口４３に挿入される栓部６と、２段目の凹部４２上に載置されるフランジ部５とにより構成されている。注液栓２は、蓋１と同じ材質（ＪＩＳ規格Ａ３００３）で形成される。ここでは、フランジ部５の厚さｔ２は、２段目の凹部４２の深さと同じ寸法に設定されている。それにより、注液栓２の上面と１段目の凹部４１の底面とが、ほぼ同一面となる。注液栓２をレーザー溶接する際には、凹部４２の側面部分である嵌合部３と注液栓２のフランジ部５とを、レーザー溶接により突合せ溶接して、図４（ｂ）に示す溶接部７を形成する。その結果、凹部４の開口４３が、注液栓２により封止される。

図５は、従来の密閉型電池における注液栓の構造を比較例として示したものである。図５（ａ）は溶接前の断面図であり、図５（ｂ）は溶接後の断面図である。従来は、蓋１に深さｔ３の凹部１ａを冷間鍛造により加工し、その凹部１ａ内に注液口としての開口４３が形成されている。そして、この凹部１ａの嵌合部３とフランジ部５との突合せ面を、図５（ｂ）のようにレーザー溶接する。注液栓２のフランジ部５の厚さは、凹部１ａの深さｔ３と同一とされる。

蓋１の厚さｔ１は一般的に薄く設定され、例えば、ｔ１＝０．５ｍｍ程度に設定されることもある。ここで、貫通溶接によって電池内部にスパッタが入り込むのを避けるために、溶接部７が電池容器の内部側まで溶け込まない条件で溶接しようとすると、蓋１の厚さｔ１＝０．５ｍｍに対して、突合せ面の厚さ（＝凹部１ａの深さｔ３）は０．２５ｍｍ程度に抑える必要がある。すなわち、従来の構造の場合には、厚さ０．２５ｍｍの突合せ面が溶接されることになる。

一方、本実施の形態の場合には、フランジ部５が載置される凹部４２の深さｔ２を蓋１の厚さｔ１＝０．５ｍｍと同一とすることで、突合せ面の厚さを０．５ｍｍとすることができ、溶接強度は２倍に向上する。深絞り加工により形成された凹部４２の底部厚さは、蓋１の厚さｔ１（＝０．５ｍｍ）であるため、厚さ０．５ｍｍの突合せ面の全体が溶接されるようにしても、電池容器の内部側まで溶け込むおそれがない。

このように、本実施の形態では、深絞り加工により凹部４２を形成しているので、フランジ部５の厚さを蓋１の厚さと等しくすることが可能であり、溶接強度の向上が図れる。また、凹部４２の深さおよびフランジ部５の厚さｔ２を蓋１の厚さｔ１よりも大きく設定して、溶接強度をより大きくすることも可能である。その結果、電池容器の内部側への溶け込みを防止しつつ、溶接強度をより向上させることができる。

図６は本実施の形態の第１の変形例を示す断面図であり、（ａ）は溶接前を示し、（ｂ）は溶接後を示す。第１の変形例は、深絞り加工を１段とした点が上述した図４に示す構成と異なる。すなわち、深絞りにより凹部４１を形成する。凹部４１の深さｔ２は、蓋１の厚さｔ１と同一とされる。凹部４１上に載置されるフランジ部５の厚さもｔ２とされる。また、凹部４１の底部の厚さも、図４の場合と同様にｔ１となっている。この場合、フランジ部５は、凹部４１の側面である嵌合部３と突き合わせ溶接される（図６（ｂ）参照）。第１の変形例の場合も、上述した実施形態と同様に、突合せ面の厚さを蓋１の厚さｔ１と同一、またはｔ１よりも大きくでき、溶接強度を従来の２倍以上とすることができる。

ところで、深絞り加工の段差が１段の場合には、図６（ｂ）に示すように溶接部７の余盛が生じて、溶接部７の上端が蓋１の表面よりも外側に突出する。例えば、このような溶接部７の余盛が表面から大きく突出するような場合、蓋１の表面と平行に空冷して電池を冷却する構成において、冷却空気の流れの阻害要因となる場合がある。そのような空冷構造の場合には、図４に示す構造、すなわち深絞りを２段とする構成の方が有利である。すなわち、１段目の凹部４２を設けたことにより、溶接部７の余盛が蓋１の表面よりも突出するのを防止することができ、溶接の余盛りが冷却空気の流れを阻害することのない構造とすることができる。

なお、凹部４が１段の場合であっても、図７（ａ）に示すような構成とすることで余盛の突出量を小さく抑えることができる。図７（ａ）に示す例では、凹部４１の深さ寸法ｔ２を、フランジ部５の厚さｔ１（ここでは蓋１と同じ厚さｔ１とする）よりも大きく設定する。そのため、突き合わせ面の厚さを蓋１の厚さｔ１と同一に設定した場合でも、注液栓２の上面は蓋１の表面に対して窪んでいることになる。その結果、溶接部７の余盛の突出量を抑えることができる。

図８は、第２の変形例を示す図である。上述した実施の形態では、蓋１を深絞り加工して、フランジ部５を載置する凹部を形成したが、図８に示す例では、蓋１に貫通孔１ｂを形成し、貫通孔１ｂが形成された蓋１の裏面（容器内部側の面）に、開口１００ａが形成された板部材１００を溶接等により固着させた構造を有する。板部材１００は、開口１００ａが貫通孔１ｂに対向するように蓋１に固定される。その結果、蓋１に凹部４１が形成され、凹部４１の底面のほぼ中央に開口１００ａが形成された構造となる。開口１００ａは電解液を注入するための開口である。電解液注入後は、栓部６が開口１００ａに挿入されるように注液栓２を装着し、フランジ部５と蓋１とをレーザー溶接により突合わせ溶接する（図８（ｂ）参照）。

このように、開口１００ａが形成された別体の板部材１００を蓋裏面に固着して、凹部４１を形成するようにしても良い。そして、凹部４１の深さを蓋１の厚さと同程度とすることで、フランジ部５の溶接強度を十分な大きさにすることができる。また、板部材１００の厚さを蓋１の厚さと同程度とすることで、溶接が容器内に貫通するのを防止することができる。

次に、注液栓２の配置について図９を用いて説明する。図１に示したように、本実施の形態の密閉型電池は扁平な略直方体形状を有している。容器は缶２０と蓋１とで構成されており、扁平な有底矩形筒である缶２０は、長方形の底面と、その底面から立設する４つの側面とを備えている。一方、蓋１は、缶２０の矩形開口部を塞ぐように設けられている。図９は、密閉型電池の凹部４を含む一部分を示す断面図であり、電池長手方向に断面したものである。

缶２０内には捲回群１５が収められている。缶２０の底面と捲回群１５との間には絶縁カバー１６Ｂが設けられ、蓋１と捲回群１５との間には絶縁カバー１６Ａが設けられている。上述したように、捲回群１５の正極側端部においては、正極当板１７、正極未塗工部１９および正極集電板１８が超音波接合により一体化されて、正極側集電部を構成している。正極集電板１８は、缶２０の底面に設けられた正極端子２２とレーザー溶接されている。なお、缶２０と正極端子２２との間には、絶縁樹脂２４が介在するように設けられている。

注液口として蓋１に形成されている開口４３は、蓋１の正極当板１７が対向する領域に配置されている。一体化された正極側集電部の厚さ寸法は、捲回群１５本体の厚さ寸法に比べて小さくなっている。そのため、電池容器内においては、正極当板１７と蓋１との間に空きスペースが形成されている。本実施の形態では、蓋１の、前記空きスペースに面している領域に、電池内部側に落ち込むように窪んだ凹部４を形成して、凹部４を構成する２段目の凹部４２の底面に開口４３を形成した。そして、凹部４２の側周部とフランジ部５の縁部とを突き合わせ溶接することで、注液栓２で開口４３を封止するようにした。このように空きスペースを利用して凹部４を配置したので、電池厚さを増加させることなく注液栓２用の凹部４を形成することができる。

上述したように、本実施の形態の密閉型電池においては、電池発電要素群が収納される容器の壁部の一部を、容器内側に落ち込むように窪ませて凹部４２を形成し、その凹部４２の底面に電解液を注入するための開口４３を設ける構造とした。そして、注液栓２のフランジ部５の周縁を、凹部４２の側周である嵌合部３と溶接することにより、開口４３を封止するようにした。凹部４２の深さは、容器である蓋１の厚さに関係なく大きく設定することができるので、溶接部の突き合わせ面の厚さを従来よりも厚くでき、十分な溶接強度を確保することができる。

なお、容器壁を絞り加工することにより凹部４１，４２を形成することで、容易に凹部を形成でき、コスト低減を図ることができる。

また、図７に示すように、凹部４１の深さ寸法ｔ２を、フランジ部５の厚さ寸法ｔ１よりも大きく、かつ、フランジ部５の周縁と凹部４１の側周との溶接部分（溶接部７）が容器の外表面よりも突出しないような値に、設定することで、溶接部７が空冷風の流れを阻害しないようにできる。

同様に、図４に示すように、凹部４を、第１の凹部４１と、第１の凹部４１の内側に形成された第２の凹部４２とを有する２段構成の凹部とし、第１の凹部４１の深さを、フランジ部５の周縁と凹部４１の側周との溶接部分（溶接部７）が容器の外表面よりも突出しないような深さに、設定することで、溶接部７が空冷風の流れを阻害しないようにできる。

また、容器が扁平な直方体形状を成す密閉型電池において、扁平状の電池発電要素群の集電部と対向する壁部に凹部４を形成することで、電池外観大きさが増加するのを防止することができる。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、上記実施形態では扁平な密閉型電池を例に説明したが、容器壁部に注液栓を溶接する構造の密閉型電池であれば、同様に適用することができる。特に、容器壁部が薄い場合に効果的である。

１：蓋、１ａ，４，４１，４２：凹部、１ｂ：貫通孔、２：注液栓、３：嵌合部、５：フランジ部、６：栓部、７：溶接部、１５：捲回群、１７：正極当板、１８：正極集電板、２０：缶、２６負極当板、２７：負極集電板、４３，１００ａ：開口、１００：板部材

Claims

電池発電要素群が収納される容器と、
前記容器の壁部の一部が容器内側に落ち込んだ窪みである第１の凹部と、
前記第１の凹部の底面壁部の一部が容器内側に落ち込んだ窪みであって、該窪みの底面に電解液を注入するための開口が形成された第２の凹部と、
前記開口に挿入される栓部と前記第２の凹部の底面に載置される平板状のフランジ部とを有する封止栓と、を備え、
前記フランジ部は、該フランジ部の底面が前記第２の凹部の底面に当接するように載置され、該フランジ部の側周と前記第２の凹部の側周とが溶接されることによって前記開口が前記封止栓により封止され、
前記第１の凹部の深さは、前記フランジ部の側周と前記第２の凹部の側周との溶接部分が前記容器の外表面よりも突出しないような深さに設定されていることを特徴とする密閉型電池。
請求項１に記載の密閉型電池において
前記第２の凹部の深さ寸法および前記フランジ部の厚さ寸法は、前記容器の壁部の厚さ寸法よりも大きく設定されていることを特徴とする密閉型電池。
請求項１または２に記載の密閉型電池において
前記電池発電要素群は、捲回の軸に沿って扁平状に捲回された捲回群と、前記捲回群の両端に設けられて、厚さ方向寸法が前記捲回群の厚さ方向寸法よりも小さい集電部と、を備えた扁平状の電池発電要素群であって、
前記扁平状の電池発電要素群が収納される前記容器は扁平な直方体形状を成し、前記扁平状の電池発電要素群の厚さ方向に対向配置された壁部であって前記集電部が対向する領域に前記第１および第２の凹部が形成されていることを特徴とする密閉型電池。