JP5724858B2 - 電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、矩形有底箱形の電池ケース本体を有する電池ケースと、この電池ケース内に収容された電極体とを備える電池の製造方法に関する。

近年、ハイブリッド自動車、電気自動車などの車両の駆動用電源に、充放電可能なリチウムイオン二次電池（以下、単に電池ともいう）が利用されている。
このような電池を製造する方法として、例えば、特許文献１には、発電要素（後述する電極体）が当接する外装缶（後述する電池ケース本体）の側面（後述する第１ケース壁面）を凹ませた電池に関し、外装缶の側面に予め凹部を形成し、凹部を形成した外装缶に発電要素を挿入する電池の製造方法が開示されている。

特開平７−１８３０１０号公報

しかしながら、特許文献１の実施例では、電池ケースの各寸法、例えば、凹部同士間の内寸が特定の値とされている。しかるに、電極体の厚み方向の寸法にバラツキが生じていると、例えば、この電極体が凹部同士間の内寸よりも大きい場合には、電池ケース本体に挿入できない問題が生じる。逆に、電極体が凹部同士間の内寸よりも極端に小さい場合には、挿入後の電極体と凹部との間のクリアランスが所望の値よりも大きくなり、凹部を通じて、電極体の厚み方向に十分な荷重を加えることができない問題が生じる場合もある。

本発明は、かかる問題を鑑みてなされたものであって、電極体の寸法にバラツキが生じていても、電極体を電池ケース内に確実に挿入でき、かつ、電極体と電池ケース（電池ケース本体）との間のクリアランスを所望の値以下とした電池の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、自身の厚み方向に直交する一対の電極体主平面を有する電極体と、上記電極体を収容し、一対の上記電極体主平面にそれぞれ対向する一対のケース主面を含む有底箱形の電池ケース本体、及び、上記電池ケース本体の開口を封止する封口蓋を有する電池ケースと、を備え、一対の上記ケース主面の少なくともいずれかには、上記電極体に向けて凹む凹部を成形してなる電池の製造方法であって、収容前の上記電極体のうち、上記厚み方向の寸法である電極体厚み寸法を測定する寸法測定工程と、上記電極体を模擬した電極体模擬ブロック体であって、上記電極体の上記電極体厚み寸法に相当する寸法であるブロック体厚み寸法が、測定した上記電極体の上記電極体厚み寸法と同じである電極体模擬ブロック体を、予め用意した上記ブロック体厚み寸法がそれぞれ異なる複数の電極体模擬ブロック体の中から選択し、上記電池ケース本体内に配置して、一対の上記ケース主面の少なくともいずれかに上記凹部をプレス成形する凹部成形工程と、上記凹部成形工程の後、上記電極体模擬ブロック体に代えて、上記電極体を上記電池ケース本体内に挿入する挿入工程と、を備える電池の製造方法である。

上述の電池の製造方法では、ブロック体厚み寸法が、測定した電極体の電極体厚み寸法と同じ電極体模擬ブロック体を、予め用意したブロック体厚み寸法がそれぞれ異なる複数の電極体模擬ブロック体の中から選択し、電池ケース本体内に配置して、一対のケース主面の少なくともいずれかに凹部をプレス成形する。このため、電極体の電極体厚み寸法に適合した寸法に凹部をプレス成形することができる。従って、電極体に厚み寸法のバラツキが発生していても、電極体を電池ケース本体に確実に挿入でき、かつ、電極体と凹部との間のクリアランスを所望の値以下とすることができる。

なお、「電極体」としては、例えば、いずれも帯状の正極板、負極板及びセパレータを捲回軸の周りに捲回してなり、断面が長円形状の扁平捲回型電極体や、いずれも平板状の正極板、負極板及びセパレータを積層してなる積層型電極体が挙げられる。また、電極体の「厚み方向」としては、電極体が扁平捲回型電極体の場合には、断面をなす長円形状の短径方向が挙げられる。また、電極体が積層型電極体の場合には、正極板等が積層する積層方向が挙げられる。

さらに、上述の電池の製造方法であって、前記電池ケースは、その内圧が大気圧よりも低い状態で封止され、前記電極体は、前記凹部を介して、前記一対の電極体主平面間が大気により圧縮されてなり、前記挿入工程の後、作製した上記電池ケース内を減圧する減圧工程を備える電池の製造方法とすると良い。

上述の電池の製造方法では、電池ケース内を減圧して、凹部を通じて大気で電極体の一対の電極体主平面間を圧縮する。このため、例えば、押圧用の構造体を用いることなく、電池ケース内の電極体に厚み方向の荷重を加えた電池を製造することができる。

なお、「電池ケース内を減圧」する手法としては、例えば、電解液の注液孔など電池ケースの内外を連通する連通孔を有する電池ケースを真空チャンバ内に入れ、真空チャンバ内を減圧すると共に、連通孔を通じて電池ケース内を減圧する手法が挙げられる。また、例えば、開閉可能な弁を設けた電池ケースについて、この弁を通じて、真空ポンプ等の減圧装置を接続し、開弁して電池ケース内を減圧する手法が挙げられる。なお、真空チャンバを用いて減圧した電池ケースを封止する手法としては、例えば、減圧した電池ケースの連通孔を真空チャンバ内で封止する（具体的には例えば、連通孔を覆うように配置させた金属部材を電池ケースにレーザ溶接したり、ブラインドリベットで連通孔を閉塞する）手法が挙げられる。また、例えば、減圧した電池ケースの連通孔に、例えばゴム状弾性体からなる樹脂部材を配置（圧入）して、真空チャンバ内を大気圧に戻して電池ケースを真空チャンバから取り出した後、樹脂部材を電池ケースに固着したり、さらに、金属からなる金属部材で連通孔及び樹脂部材を覆って、溶接等により金属部材を電池ケースに固着する手法が挙げられる。

実施形態の電池の部分切欠斜視図である。 実施形態の電池の断面図（図１のＡ−Ａ断面）である。 実施形態の電池の断面図（図２のＢ−Ｂ断面）である。 実施形態にかかる電池の製造方法のうち、寸法測定工程を示す説明図である。 実施形態にかかる電池の製造方法のうち、凹部成形工程に用いる電極体模擬ブロック体の斜視図である。 実施形態にかかる電池の製造方法のうち、凹部成形工程を示す説明図である。 実施形態にかかる電池の製造方法のうち、挿入工程を示す説明図である。 実施形態にかかる電池の製造方法のうち、減圧工程を示す説明図である。 変形例の電池の部分切欠斜視図である。

（実施形態）
次に、本実施形態にかかる電池の製造方法で製造される電池１について、図１〜３を参照しつつ説明する。
この電池１は、矩形有底箱形の電池ケース本体１１、及び、この電池ケース本体１１の開口１９を封止する封口蓋２１を有する電池ケース１０と、この電池ケース１０内に収容された電極体３０とを備えるリチウムイオン二次電池である（図１参照）。また、電池１は、電極体３０の正極板３１に接続された正極端子部材４１、及び、負極板３２に接続された負極端子部材４２を備える（図１参照）。

このうち電極体３０は、いずれも帯状の正極板３１及び負極板３２が、ポリエチレンからなる帯状のセパレータ３３を介して、捲回軸ＡＸの周りに扁平形状に捲回してなり、断面ＰＪが長円形状の扁平捲回型の電極体である（図１参照）。この電極体３０には、リチウムイオンを含む有機電解液（図示しない）が含浸されている。
電極体３０をなす帯状の正極板３１は、アルミニウムからなる正極箔（図示しない）、及び、正極活物質粒子を含む正極活物質層（図示しない）からなる。また、帯状の負極板３２は、銅からなる負極箔（図示しない）、及び、負極活物質粒子を含む負極活物質層（図示しない）からなる。

なお、扁平捲回型の電極体３０の厚みについては、前述した断面ＰＪがなす長円形状の短径方向ＤＮの寸法で示すことができる（図１，３参照）。つまり、この電極体３０において、短径方向ＤＮが電極体３０の厚み方向であり、短径方向ＤＮの寸法を、電極体３０の第１寸法Ｔ１とする。
また、この電極体３０は、長円形状の長径方向ＤＭの両端部にそれぞれ位置し、正極板３１、負極板３２及びセパレータ３３が、それぞれＲ状に湾曲して配置された２つの湾曲捲回部３０Ｒ，３０Ｒと、これら２つの湾曲捲回部３０Ｒ，３０Ｒの間に位置し、正極板３１等がいずれも平板状とされた中央捲回部３０Ｓとを有する（図３参照）。
このうち、中央捲回部３０Ｓは、図３に示すように、電極体３０の厚み方向（短径方向）ＤＮに直交する一対の中央電極体主平面３０ＳＦ，３０ＳＦを有している。この２つの中央電極体主平面３０ＳＦ，３０ＳＦはいずれも、次述する電池ケース１０（電池ケース本体１１）の第１ケース壁面１３に成形された凹部１４に密接している。

また、電池ケース１０は、共にアルミニウム製の電池ケース本体１１及び封口蓋２１を有する。なお、この電池ケース１０（電池ケース本体１１）と電極体３０との間には、樹脂からなり、箱状に折り曲げた絶縁フィルム（図示しない）が介在させてある。

電池ケース１０の封口蓋２１は矩形板状であり、電池ケース本体１１の開口１９を閉塞して、この電池ケース本体１１に溶接されている。
この封口蓋２１は、正極端子部材４１を電池ケース１０の内部から外部に貫通させるための第１貫通孔２６、負極端子部材４２を電池ケース１０の内部から外部に貫通させるための第２貫通孔２７、及び、これら第１貫通孔２６と第２貫通孔２７との間に位置する第３貫通孔２９Ｈを有する（図２参照）。なお、第１貫通孔２６と正極端子部材４１との間、及び、第２貫通孔２７と負極端子部材４２との間には、それぞれ絶縁性の樹脂からなる絶縁部材２８が介在し、互いを絶縁している。また、第３貫通孔２９Ｈは、矩形板状の安全弁２９によって閉塞されている。

さらに、この封口蓋２１には、この封口蓋２１を電池ケース本体１１に溶接して電池ケース１０を作製した後、外部から電池ケース１０内に電解液（図示しない）を注液するための注液孔２２を設けている（図２参照）。但し、図１に示す、できあがった電池１では、注液孔２２は封止されている。具体的には、ゴム状弾性体からなる栓部材２３が注液孔２２内に配置し、さらに、アルミニウム製で円板形状の金属部材２４が、電池ケース１０の外側から栓部材２３及び注液孔２２を覆った状態で、封口蓋２１の蓋表面２１Ｆに固着している。

また、電池ケース本体１１は有底矩形箱形である。即ち、この電池ケース本体１１は、自身の底面をなす長方形状のケース底面１２を有する。また、このケース底面１２の長辺端縁１２Ｌから、このケース底面１２に対して垂直に立ち上がる２つの第１ケース壁面１３，１３、及び、ケース底面１２の短辺端縁１２Ｓから、ケース底面１２に対して垂直に立ち上がる２つの第２ケース壁面１７，１７を有している。なお、２つの第１ケース壁面１３，１３は、前述した一対の中央電極体主平面３０ＳＦ，３０ＳＦにそれぞれ対向している（図３参照）。

このうち、第１ケース壁面１３には、電池ケース本体１１の内部に向けて凹む凹部１４を成形している（図１，３参照）。つまり、矩形平板状の第１ケース壁面１３は、自身の四辺を含む周縁をなしている壁面本体部１５と、この壁面本体部１５の内側に位置し、壁面本体部１５よりも電池ケース本体１１の内部側に凹ませてなる凹部１４とからなる（図１参照）。

なお、本実施形態の電池１は、２つの第１ケース壁面１３，１３にそれぞれ、上述した凹部１４を成形している（図３参照）。
また、この電池１では、電池ケース１０が大気圧よりも低い内圧で封止され、電極体３０の一対の中央電極体主平面３０ＳＦ，３０ＳＦが、凹部１４の主面（凹部主面１４Ｆ）を介して大気（図３中の矢印）により圧縮されている。つまり、電池ケース１０内の電極体３０が、例えば、押圧用の構造体（例えば、２枚のプレートで電池を挟持して、電池ケースを介して電極体に荷重を加える装置、等）によらないで、電極体３０の厚み方向（短径方向）ＤＮに荷重を受けている。
このため、電極体３０において、この厚み方向（短径方向）ＤＮに、正極板３１或いは負極板３２とセパレータ３３とを互いに密接させることができる。従って、初充電等の充電によって電極体３０内に発生するガスが、正極板３１或いは負極板３２とセパレータ３３との間に停滞して、正極板３１と負極板３２との間の電気反応を妨害するのを抑制できる。

次いで、本実施形態にかかる電池１の製造方法について、図面を参照しつつ説明する。
まず、電極体３０を公知の手法で作製する。具体的には、いずれも帯状の正極板３１及び負極板３２を、２つの帯状のセパレータ３３，３３と共に、円筒形状の芯材（図示しない）の周りに捲回して、捲回軸を有する円筒形状の捲回体（図示しない）を作製した。その後、捲回体から芯材を抜き取り、円筒面を両側から押し潰して、断面が長円形状である扁平捲回型の電極体３０を作製した。

その後、電極体３０の正極板３１に正極端子部材４１を、負極板３２に負極端子部材４２を、それぞれ溶接する。そして、絶縁部材２８を介して、正極端子部材４１を封口蓋２１の第１貫通孔２６に、負極端子部材４２を封口蓋２１の第２貫通孔２７にそれぞれ挿通して、封口蓋２１に電極体３０を固定した（図２，４参照）。

次いで、本実施形態にかかる電池１の製造方法のうち、寸法測定工程について図４を用いて説明する。
この寸法測定工程は、電池ケース本体１１に収容する前の電極体３０のうち、厚み方向（短径方向）ＤＮの第１寸法Ｔ１を測定する工程である。なお、本実施形態の電極体３０は、前述したように、一旦円筒形状に作製した捲回体の円筒面を押し潰したものであるため、電極体３０の中央電極体主平面３０ＳＦが径方向外側に膨らみやすい。そこで、本実施形態では、具体的には、公知の圧縮試験機を用いて、厚み方向ＤＮに所定の大きさの荷重（例えば、８．０ｋｇｆ／ｃｍ²）をかけながら、電極体３０の第１寸法Ｔ１を、０．１ｍｍオーダで測定した。

次いで、本実施形態にかかる電池１の製造方法のうち、凹部成形工程について図５，６を用いて説明する。
この凹部成形工程では、次述する電極体模擬ブロック体５０を電池ケース本体１１内に配置して、２つの第１ケース壁面１３，１３にそれぞれ凹部１４をプレス成形する。

ステンレス鋼（ＳＵＳ）からなる電極体模擬ブロック体５０は、電極体３０を模擬した形態の本体部５１と、この本体部５１から延出する複数の脚部５２，５２とを有している。
このうち複数の脚部５２，５２は、この電極体模擬ブロック体５０を電池ケース本体１１内に配置した際、これらの先端がいずれも電池ケース本体１１のケース底面１２或いは第２ケース壁面１７に当接する。このため、電極体模擬ブロック体５０を電池ケース本体１１内に配置したときに、本体部５１が電池ケース本体１１の第１ケース壁面１３の中央に位置する。
また、本体部５１は、電極体３０と同様、断面が長円形状の扁平形状である。このため、本体部５１の厚みは、電極体３０と同様、断面をなす長円形状の短径方向ＤＮの寸法で示す（図５参照）。つまり、この本体部５１においても、短径方向ＤＮがこの本体部５１の厚み方向であり、厚み方向（短径方向）ＤＮの寸法を、本体部５１の第２寸法Ｔ２とする（図５参照）。

なお、凹部成形工程では、上述した電極体模擬ブロック体５０について、第２寸法Ｔ２がそれぞれ異なる複数の電極体模擬ブロック体５０，５０を予め用意している。こうすることで、電極体３０の第１寸法Ｔ１にバラツキが生じた場合でも、この電極体３０の第１寸法Ｔ１と同寸法の電極体模擬ブロック体５０を選択することができる。

この工程では、まず、複数の電極体模擬ブロック体５０，５０のうち、第２寸法Ｔ２が、前述した寸法測定工程で測定した電極体３０の第１寸法Ｔ１と同じ寸法の電極体模擬ブロック体５０を、電池ケース本体１１内に配置する。
次いで、電池ケース本体１１の２つの第１ケース壁面１３，１３にそれぞれ凹部１４をプレス成形する。具体的には、図６に示すように、電極体模擬ブロック体５０を内部に収容した電池ケース本体１１について、厚み方向（短径方向）ＤＮの両側から、２つのプレス金型ＰＭ，ＰＭで挟み込む。
かくして、電池ケース本体１１の２つの第１ケース壁面１３，１３のいずれにも凹部１４をプレス成形した。

次いで、本実施形態にかかる電池１の製造方法のうち、挿入工程について図７を用いて説明する。
この挿入工程は、電極体模擬ブロック体５０に代えて、電極体３０を電池ケース本体１１内に挿入する工程である。具体的には、まず、上述した凹部成形工程で凹部１４を成形した電池ケース本体１１内から電極体模擬ブロック体５０を取り出す。そして、この電池ケース本体１１に、封口蓋２１に固定した電極体３０を挿入した（図７参照）。なお、電極体３０の外側には、前述した箱状に折り曲げた絶縁フィルム（図示しない）を予め配置しておく。また、電極体３０の挿入不良の発生を防ぐため、電池ケース本体１１の２つの第１ケース壁面１３，１３を厚み方向ＤＮ外側にそれぞれ引っ張り、この厚み方向ＤＮの寸法を大きくした状態で電極体３０を挿入する。

次いで、電池ケース１０を作製する工程について説明する。この工程では、上述した挿入工程の後、電池ケース本体１１の開口１９を封口蓋２１で封口して電池ケース１０を作製した。具体的には、挿入工程の後、レーザ溶接を用いて、電池ケース本体１１と、この電池ケース本体１１の開口１９を覆うように配置した封口蓋２１とを接合した。かくして、内部に電極体３０を収容した電池ケース１０が完成した。

その後、電池ケース１０（封口蓋２１）に設けた注液孔２２を通じて、電池ケース１０の内部に電解液（図示しない）を注液した。

次いで、本実施形態にかかる電池１の製造方法のうち、減圧工程について図８を用いて説明する。
この減圧工程は、電池ケース１０内を減圧する工程である。即ち、真空チャンバＶＣの内部に、封止した電池ケース１０を収めた後、真空チャンバＶＣの内部を減圧する。なお、このときの電池ケース１０は注液孔２２が封止されていないため、この注液孔２２を通じて電池ケース１０内が減圧される。
そして、電池ケース１０内が減圧された状態で、ゴム状弾性体からなる栓部材２３を注液孔２２に圧入して、注液孔２２を封止（仮封止）した。

封止後、大気圧に戻した真空チャンバＣＶから電池ケース１０を取り出した。そして、金属からなる金属部材２４で注液孔２２及び栓部材２３を覆って、この金属部材２４をレーザ溶接により電池ケース１０に固着した。
かくして、電池ケース１０が大気圧よりも低い内圧で封止され、電極体３０の中央電極体主平面３０ＳＦ，３０ＳＦが、凹部１４の主面（凹部主面１４Ｆ）を介して大気に圧縮された、本実施形態の電池１ができあがる（図１〜３参照）。

以上により、本実施形態にかかる電池１の製造方法では、厚み方向（短径方向）ＤＮの第２寸法Ｔ２が、測定した電極体３０の第１寸法Ｔ１と同じ電極体模擬ブロック体５０を電池ケース本体１１内に配置して、２つの第１ケース壁面１３，１３の少なくともいずれかに凹部１４をプレス成形する（なお、本実施形態では、２つの第１ケース壁面１３，１３のいずれにも凹部１４を成形）。このため、電極体３０の第１寸法Ｔ１に適合した寸法に凹部１４をプレス成形することができる。従って、電極体３０に寸法のバラツキが発生していても、電極体３０を電池ケース本体１１に確実に挿入でき、かつ、電極体３０と凹部１４との間のクリアランスを所望の値以下として電池を製造することができる。

また、電池ケース１０内を減圧して、凹部１４（凹部主面１４Ｆ）を通じて大気で電極体３０の一対の中央電極体主平面３０ＳＦ，３０ＳＦ間を圧縮する。このため、例えば、押圧用の構造体を用いることなく、電池ケース１０内の電極体３０に厚み方向（短径方向）ＤＮの荷重を加えた電池１を製造することができる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、実施形態では、扁平捲回型の電極体３０を備える電池１を示した。しかし、本発明にかかる製造方法で製造する電池を、いずれも平板状の正極板１３１、負極板１３２及びセパレータ１３３を積層方向ＤＪに積層してなる積層型の電極体１３０を備える電池１０１としても良い（図９参照）。なお、この場合、電極体１３０において、正極板１３１等が積層する積層方向ＤＪが電極体１３０の厚み方向であり、図９に示すように、この積層方向ＤＪの寸法（第３寸法Ｔ３）が、電極体１３０の厚み寸法である。
また、実施形態では、一対の第１ケース壁面１３，１３のいずれにも、電極体に向けて凹む凹部１４を成形した電池１を示した。しかし、本発明では、一対のケース主面のいずれか一方に凹部を成形した電池としても良い。

また、実施形態の寸法測定工程では、電極体３０の中央電極体主平面３０ＳＦが径方向外側に膨らみやすいため、電極体３０に荷重をかけながら第１寸法Ｔ１を測定した。しかし、例えば、扁平捲回型の電極体のうち、電極体主平面（中央電極体主平面）が径方向外側に膨らまないような加工（例えば、プレスやホットプレスを用いた加工など）を施したものや、上述した積層型の電極体１３０の場合には、電極体に荷重をかけずに、例えばダイヤルゲージ等の厚み測定器を用いて電極体厚み寸法を測定しても良い。

１，１０１ 電池
１０ 電池ケース
１１ 電池ケース本体
１３ 第１ケース壁面（ケース主面）
１４ 凹部
１９ 開口
２１ 封口蓋
３０，１３０ 電極体
３０ＳＦ 中央電極体主平面（電極体主平面）
５０ 電極体模擬ブロック体
ＤＪ 積層方向（厚み方向）
ＤＮ 短径方向（厚み方向）
Ｔ１ 第１寸法（電極体厚み寸法）
Ｔ２ 第２寸法（ブロック厚み寸法）
Ｔ３ 第３寸法（電極体厚み寸法）

Claims (2)

1. 自身の厚み方向に直交する一対の電極体主平面を有する電極体と、
   上記電極体を収容し、一対の上記電極体主平面にそれぞれ対向する一対のケース主面を含む有底箱形の電池ケース本体、及び、上記電池ケース本体の開口を封止する封口蓋を有する電池ケースと、を備え、
   一対の上記ケース主面の少なくともいずれかには、上記電極体に向けて凹む凹部を成形してなる
   電池の製造方法であって、
   収容前の上記電極体のうち、上記厚み方向の寸法である電極体厚み寸法を測定する寸法測定工程と、
   上記電極体を模擬した電極体模擬ブロック体であって、上記電極体の上記電極体厚み寸法に相当する寸法であるブロック体厚み寸法が、測定した上記電極体の上記電極体厚み寸法と同じである電極体模擬ブロック体を、予め用意した上記ブロック体厚み寸法がそれぞれ異なる複数の電極体模擬ブロック体の中から選択し、上記電池ケース本体内に配置して、一対の上記ケース主面の少なくともいずれかに上記凹部をプレス成形する凹部成形工程と、
   上記凹部成形工程の後、上記電極体模擬ブロック体に代えて、上記電極体を上記電池ケース本体内に挿入する挿入工程と、を備える
   電池の製造方法。
2. 請求項１に記載の電池の製造方法であって、
   前記電池ケースは、
   その内圧が大気圧よりも低い状態で封止され、
   前記電極体は、
   前記凹部を介して、前記一対の電極体主平面間が大気により圧縮されてなり、
   前記挿入工程の後、作製した上記電池ケース内を減圧する減圧工程を備える
   電池の製造方法。

Images