JP5979607B2

JP5979607B2 - 密閉型電池の製造方法

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Publication number: JP5979607B2
Application number: JP2013240091A
Authority: JP
Inventors: 晴彦近藤
Original assignee: SMK Corp
Current assignee: SMK Corp
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: JP2015099747A; CN104659290B; CN104659290A; US20150140372A1

Description

本発明は、発電要素を収容したケース本体の開口部を蓋板で封口した密閉型電池の製造方法に関し、更に詳しくは、ケース本体の開口部に嵌合する蓋板の周縁をレーザー溶接し、蓋板で開口部を気密封止した密閉型電池の製造方法に関する。

密閉型電池は、金属製の有底筒状のケース本体に電解液、捲回電極体等の発電要素を収容し、ケース本体の開口部を金属板からなる蓋板で封口したものであって、例えばリチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池等の密閉型電池が、電気を駆動源とする車両、携帯通信機器などの電気製品に搭載され、これらの電源として利用されている。

ケース本体内に収容される電解液等が漏れ出さないように、ケース本体の開口部は蓋板により完全に気密封止する必要があり、従来の密閉型電池１００では、図１６に示すように、金属製のケース本体１０１の開口部１０２に金属板からなる蓋板１０３を収容し、蓋板１０３の周縁と開口部１０２の開口縁との境界全体に沿ってレーザー光を照射し、ケース本体１０１と蓋板１０３をレーザー溶接している（特許文献１）。

この開口部１０２を覆う蓋板１０３は、その厚さが厚いほど蓋板１０３の重量が増加し、大量の密封型電池が搭載する電気自動車やハイブリッドカーでは、総重量が増して燃費悪化の原因となる。また、この種の密閉型電池の蓋板には、破裂による事故を防止するために、ケース本体内の所定の内圧上昇で破断する薄肉部を有する防爆弁が備えられているが、蓋板１０３の厚さが厚くなると、蓋板１０３から薄肉部をプレス加工する加工荷重がプレス金型で加工する限界に達し、蓋板１０３から一体に加工できない。更に、蓋板１０３の厚さが増すと、材料費や加工費が増大して製造コスト高を招き、経済上の観点からも望ましくない。

一方で、蓋板１０３の厚さを薄肉化すると、ケース本体１０１との充分な長さの溶接しろが確保できないので、ケース本体１０１との溶接強度が得られず、また、蓋板１０３自体の強度も得られないので、ケース本体１０１の内圧を受けて外方に湾曲する恐れが生じる。

そこで、蓋板を薄型化しても、ケース本体と充分なレーザー溶接強度が得られるように、ケース本体１１１の開口部１１２に蓋板１１３を強嵌合させて、その周縁に沿ってレーザー溶接した密封型電池１１０が提案されている（特許文献２）。この密閉型電池１１０は、図１７に示すように、ケース本体１１１の開口部１１２の内側面１１２ａを、開口縁から内方に向かって傾斜する傾斜面とし、開口縁の内径にほぼ等しい外形の蓋板１１３を内側面１１２ａに圧入して開口部１１２内に強嵌合し、開口縁に沿ってレーザー光を照射し、蓋板１１３の周縁とケース本体１１１の境界にレーザー溶接部１１４を形成している。

この密閉型電池１１０によれば、蓋板１１３とケース本体１１１とのレーザー溶接強度を、蓋板１１３がケース本体１１１に強嵌合して補うので、蓋板１１３はケース本体１１１１に強固に接合し、開口部１１２が蓋板１１３により完全に気密封止される。

また、蓋板をケース本体の開口部の端面上に配置し、ケース本体の側方に表れる蓋板とケース本体との境界に沿ってレーザー光を照射し、蓋板の厚さにかかわらず充分なレーザー溶接強度で相互を接合する密閉型電池も知られている（特許文献３）。

特開２０１３−１８７０８７号公報特開２０１０−２３８４０４号公報特開２０１３−９１０８５号公報

従来の密閉型電池１００は、ケース本体１０１と一定長さの溶接しろを設けてレーザー溶接強度を得るために、アルミ合金の蓋板１０３であれば、例えばその厚さｔを１．５ｍｍ以上とする必要があり、重量が増加するので、多数の密閉型電池１００を搭載する電気自動車やハイブリッドカーの燃費が悪化する。

また、蓋板１０３の厚さが厚くなるほど、材料費や加工費が増大し、製造コストが上昇する。

更に、所定の厚さを越える蓋板１０３からはプレス成形して防爆弁の薄肉部を一体に形成できず、別の形成する防爆弁を蓋板１０３へ溶接して固定する必要があることから、製造工程が増え、更に製造コスト上昇の原因となっていた。

また、蓋板１１３をレーザー溶接と共に強嵌合してケース本体１１１へ固定する従来の密閉型電池１１０では、蓋板１１３の外径に０．２ｍｍ程度の高い製造公差が要求され、最大許容寸法を超えると蓋板１１３を嵌合できず、最小許容寸法未満であると、蓋板１１３がケース本体１１１の開口部１１２内に陥没したり、開口部１１２の内側面１１２ａとに隙間が生じ、ケース本体１１１内の気密性が損なわれる。

更に、蓋板１１３の厚さを薄肉とすると、蓋板１１３を内側面１１２ａに圧入する際に湾曲して、内側面１１２ａの間に隙間が生じて気密性が損なわれたり、隙間をレーザー光が通過するいわゆるレーザー漏れが発生して、蓋板１１３の周縁全体を完全にレーザー溶接することができない。

また、特許文献３に記載されているように、ケース本体の側面に表れるケース本体と蓋板との境界に沿ってレーザー溶接して蓋板を接合する方法は、筒状のケース本体の側方から外周回りにレーザーを照射するので、上方からレーザーを照射する場合に比べて、レーザー照射装置に軸回りの相対回転移動手段を設ける必要があり、照射位置の位置ずれなく境界の全体を照射するには精密な制御を必要となる。

更に、レーザー溶接部がケース本体の側面側に膨出するので、車載用などで多数の密閉型電池を積層する際に、膨出部が障害となって整然と積層することができない。

また、ケース本体の開口部の周縁に沿ってレーザー溶接する場合に比べて、ケース本体の外側面に沿ってレーザー溶接することとなるので、全体の溶接距離が長くなり、蓋板のケース本体への位置決め不良やレーザ光漏れによる溶接不良を起こす確率が高くなる。

本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、蓋板を薄肉としても所定長さの溶接しろを確保してレーザー溶接強度が得られる密閉型電池の製造方法を提供することを目的とする。

また、蓋板を薄肉としても平面性を維持し、ケース本体の開口部へ圧入する際に湾曲せず、高い寸法精度で蓋板を開口部へ嵌合することができる密閉型電池の製造方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、請求項１に記載の密閉型電池の製造方法は、発電要素を収容した金属製のケース本体と、前記ケース本体の開口部に嵌合する金属製の蓋板の周縁をレーザー溶接し、前記ケース本体の開口部を前記蓋板で気密封止する密閉型電池の製造方法であって、薄板の金属板をプレス加工して、蓋板の周縁の全周に沿って蓋板の平面に直交する枠片を形成すると共に、前記ケース本体内の内圧が一定値に達した際に破断する薄肉部を有する防爆弁を蓋板の平面から桝形の前記枠片で囲われる空間内に突設し、前記枠片を前記開口部の内壁面に沿って圧入し、圧接する前記枠片と前記内壁面との境界に沿ってレーザー溶接し、前記枠片と前記内壁面との境界を気密封止することを特徴とする。

蓋板の厚さを薄くしても、圧接する開口部の内壁面と枠片の間に充分に長い溶接しろが形成されるので、高いレーザー溶接強度が得られる。

蓋板の周縁に平面に直交する枠片を備えるので、蓋板の厚さを薄くしても平面性を維持する剛性が得られ、湾曲しにくい。従って、枠片を開口部の内壁面に沿って圧入する際にも湾曲しないので、輪郭の高い寸法精度を保ったまま開口部の内壁面に沿って圧入して、開口部へ隙間なく強嵌合させることができる。また、蓋板を薄肉としても湾曲しにくいので、ケース内の内圧によって蓋板が外方に湾曲することがない。

蓋板は、開口部に強嵌合すると共に、周縁の枠片をケース本体に充分な長さの溶接しろでレーザー溶接するので、ケース本体に強固に接合される。

厚さを薄くした蓋板から限界加工荷重に達する前の荷重で薄肉部を一体に形成できる。

枠片と防爆弁の薄肉部を一連のプレス加工工程で形成できる。

防爆弁が枡形の枠片で囲まれる空間から突出しない。

請求項２に記載の密閉型電池の製造方法は、前記蓋板の周縁が長方形であり、
薄板の金属板をプレス加工して、蓋板の平面に前記防爆弁と共に前記蓋体の長手方向と短手方向に沿った複数のリブを形成することを特徴とする。

周縁が長方形の蓋板の長手方向と短手方向に沿った複数のリブが形成されるので、周縁に沿った枠片と協働して、より平面性を保つ剛性が得られ、湾曲しない。

請求項３に記載の密閉型電池の製造方法は、前記枠片の外側面に、前記枠片を前記内壁面に沿って圧入する際に、前記開口部の開口縁に当接して前記枠片を前記開口部の内側へ案内する傾斜面が形成されていることを特徴とする。

傾斜面を開口部の開口縁に当接させて蓋板を開口部内に押し込むだけで、枠片の外側面と開口部の内壁面が圧接し、蓋板が開口部内に強嵌合される。

請求項１の発明によれば、ケース本体に充分な強度で接合する蓋板を薄型化して、密閉型電池を軽量化し、製造コストを低下させることができる。

また、蓋板を薄型化しても、開口部の内壁面に沿って圧入する際に湾曲して変形することがないので、隙間無くケース本体の開口部へ強嵌合させることができ、レーザー溶接の際のレーザー漏れがなく、蓋板による高い密封性が得られる。

また、薄型化した蓋板であっても、ケース本体内の内圧によって蓋板が外方に湾曲することがない。

また、蓋板に一体に防爆弁の薄肉部を形成できるので、防爆弁を別に製造して蓋板に溶接する工程がなくなり、製造工程が簡略化される。

また、枠片と防爆弁の薄肉部を一連のプレス加工工程で形成するので、製造工程が簡略化される。

また、防爆弁をケース本体の開口部の内方に形成できるので、指や異物との不用意な接触を防止できる。

請求項２の発明によれば、枠片と協働して更に蓋板の平面性を保つ剛性が得られ、より薄型化した蓋板を開口部へ強嵌合できる。

請求項３の発明によれば、枠片の傾斜面を開口部の開口縁に当接させて開口部内に押し込むだけで、蓋板を開口部へ強嵌合させることができる。

本願発明の一実施の形態に係る密閉型電池１を示す正面図である。ケース本体４の斜視図である。蓋板２の平面図である。蓋板２の背面図である。蓋板２の側面図である。蓋板２の正面図である。図３のＡ−Ａ線断面図である。蓋板２の周縁の要部拡大断面図である。防爆弁３の要部拡大断面図である。図３のＢ−Ｂ線断面図である。図３のＣ−Ｃ線断面図である。ケース本体４の開口部５へ蓋板２を圧入する状態を示す要部拡大断面図である。ケース本体４の開口部５へ蓋板２を強嵌合した状態を示す要部拡大断面図である。他の実施の形態に係る密閉型電池３０の蓋板３１の背面図である。図１４のＤ−Ｄ線に沿った蓋板３１の縦断面図である。従来の密閉型電池１００を示す正面図とその要部拡大断面図である。従来の密封型電池１１０の要部拡大断面図である。

本発明の一実施の形態に係る密閉型電池１の製造方法を図１乃至図１３を用いて説明する。図１は、密閉型電池１の正面図であり、電解液、捲回電極体、セパレータ等の発電要素を収容したケース本体４の平面側の開口部５に蓋板２を嵌合し、蓋板２の周縁と開口部５の開口縁５ａに沿ってレーザー溶接し、蓋板２により開口部５を封口したものである。

ケース本体４は、アルミニウム合金板やステンレス鋼の薄板でここではアルミニウム合金板を絞り加工して、有底筒状の外形が細長直方体に形成される。有底角筒状のケース本体４は平面側が開口し、筒状の内壁面の内側に長方形の開口部５が形成される。また、ケース本体４の正面と背面には、正方形の凹面と凸面が隣り合って連続する市松模様の凹凸面４ａが形成され、これによりケース本体４の厚みを軽量化するために１ｍｍ以下の薄肉にしても、内圧によって湾曲しない所定の剛性が得られる。

開口部５を覆う蓋板２は、厚さ０．８ｍｍの薄肉のアルミニウム合金板をプレス加工し、図３乃至図１１に示す細長長方形板状に形成されている。長方形の蓋板２の周縁をプレス加工することにより、図７、図８に示すように、周縁全体に蓋板２の平面に直交する下方に向かって枠片６が一体に垂設される。プレス加工により形成される枠片６の厚さは、蓋板２の原材料の厚さ０．８ｍｍにほぼ等しく、枠片６の外側面の高さｈは、原材料の厚さ０．８ｍｍの３倍程度の３ｍｍの長さとなっている。

また、枠片６の外側面は、中間位置から上端にかけて鉛直方向に沿った鉛直面６ａと、中間位置から下端にかけて下方に向かって内側に傾斜する傾斜面６ｂとにわけられ、それぞれ枠片６の全周にわたって約１．５ｍｍ幅で環状に形成されている。周縁全体に枠片６が形成されることによる長手方向で対向する鉛直面６ａ間の幅（蓋板２の長手方向幅）は、１６８．４ｍｍ、短手方向で対向する鉛直面６ａ間の幅（蓋板２の短手方向幅）は、１８．４ｍｍであり、それぞれ長方形の開口部５の長手方向と短手方向で対向する内壁面５ｂ、５ｂ間の距離よりわずかに長く（ここでは、０．４ｍｍ）なっている。一方、蓋板２の長手方向と短手方向で対向する傾斜面６ｂの下端間の距離は、それぞれ開口部５の長手方向と短手方向で対向する内壁面５ｂ、５ｂ間の距離より短く、従って、蓋板２を開口部５の上方に配置すると、図１２に示すように、開口部５の開口縁５ａが傾斜面６ｂに当接して開口部５上に仮保持される。

蓋板２のほぼ中央には、図３、図９、図１０に示すように、長円形の薄肉部３ａを輪郭とする防爆弁３が形成されている。防爆弁３は、密閉型電池１内の内圧が異常上昇してケース本体が破裂する前に所定の内圧で薄肉部３ａを破断させ、上昇する内圧を外部へ開放する危険予防の安全弁であり、ここでは、０．７ＭＰａの内圧で薄肉部３ａが確実に破断するように、その厚さを０．０３ｍｍとしている。厚さ０．８ｍｍの蓋板２から厚さ０．０３ｍｍの薄肉部３ａの加工は、防爆弁３を形成する蓋板２の中央を、水平方向に０．０８ｍｍの間隔で刃側面間をオーバーラップさせた上下金型で挟み、オーバーラップさせた部位を０．０３ｍｍの厚みまで圧縮して薄肉部３ａを冷間鍛造する。この冷間鍛造の際に、蓋板２の厚さは０．８ｍｍと薄く、また、各金型の刃側面がオーバーラップする両側で蓋板２に剪断しながらオーバーラップする部分のみを圧縮するので、金型への加工荷重を増大させずに薄肉部３ａを形成できる。

蓋板２には、この他にプレス加工によって、蓋板２を覆う化粧板を位置決めする位置決め凹部７やガスケットを介して電極を挿通させる電極挿通部８と、残る平面に長手方向と短手方向に沿ってそれぞれ等ピッチで多数のリブ９が形成されている。図３、図１１に示すように、多数のリブ９が長手方向と短手方向に交差して形成されることによって直交するいずれの方向に対しても蓋板２の断面二次モーメントが増大し、蓋板２を厚さ０．８ｍｍの薄肉板で形成しても、その平面性を損なわない剛性が得られる。その結果、周縁全体に沿って肉厚に形成される枠片６と協働して蓋板２に高い剛性が得られ、密閉型電池１内の内圧によって外方に湾曲することがない。

このように構成された蓋板２は、ケース本体４内に発電要素を収容した後、図１２に示すように、枠片６の傾斜面６ｂを開口部５の開口縁５ａに当接させた状態で開口部５上に配置し、蓋板２の周縁を上方から開口部５内に押し込み、枠片６を開口部５の内壁面５ｂに沿って圧入する。枠片６を内壁面５ｂに沿って圧入することにより、枠片６の傾斜面６ｂは、枠片６を開口部５の内側へ案内し、図１３に示すように、枠片６の鉛直面６ａと開口部５の内壁面５ｂが圧接して、蓋板２がケース本体４の開口部５に強嵌合される。

蓋板２を開口部５に強嵌合してケース本体４にがたつきなく位置決めした状態で、蓋板２の周縁、すなわち枠片６の鉛直面６ａと開口部５の内壁面５ｂとの境界に沿って、蓋板２の周縁全周にレーザー光を照射する。レーザー光を照射する蓋板２の周縁と内壁面５ｂとの境界には、図１３に示すように、レーザー光が浸食して相互を溶接するレーザー溶接部１０が形成されるが、本実施の形態によれば、蓋板２の厚さより鉛直方向に長い枠片６の鉛直面６ａが形成され、薄肉板とした蓋板２側にレーザー光で溶接するための充分な長さの溶接しろが確保されているので、蓋板２の周縁とケース本体４とは充分な溶接強度でレーザー溶接される。更に、蓋板２は、ケース本体４の開口部５に強嵌合しているので、ケース本体４に対して強固に固定され、これにより、蓋板２の周縁全体は、開口部５の内壁面５ｂに隙間なく強固に固着し、開口部５が完全に気密封止される。

ここで、ケース本体４は、上述のように絞り加工で有底角筒状に形成されるので、その加工精度に限界があり、開口部５の内壁面５ｂにばらつきが生じるが、一方、開口部５の内径よりわずかに長い外径に形成された蓋板２は、高い剛性を有し、枠片６を内壁面５ｂに沿って圧入する際にもその輪郭が変化しないので、わずかに長い枠片６の鉛直面６ａが開口部５の内壁面５ｂを、外側へ押し広げながら鉛直面６ａと平行な均一平面とする。その結果、蓋板２がケース本体４の開口部５に強嵌合する状態で、枠片６と開口部５の内壁面５ｂ間は隙間なく密着し、その隙間からケース本体４内にレーザー光が漏れるレーザー漏れの恐れがない。

図１４と図１５は、本発明の第２実施の形態にかかる密閉型電池３０の蓋板３１を示し、第１実施の形態にかかる密閉型電池１とは、蓋板３１の平面に直交する枠片３２の向きが異なるだけであるので、密閉型電池１と同一若しくは同様の構成については同一番号を付してその説明を省略する。

図１４、図１５に示すように、蓋板３１は、周縁全体に蓋板３１の平面に直交する上方に向かって枠片３２が一体に折り曲げて形成されることにより、長方形桝形に形成される。プレス加工により形成される枠片３２の厚さは、第１実施の形態に係る枠片６と同様に、蓋板３１の厚さ０．８ｍｍにほぼ等しく、外側面の高さは、蓋板３１の厚さ０．８ｍｍの３倍程度の３ｍｍの長さとなっている。

枠片３２の外側面の全体は、鉛直面３２ａとなっていて、長手方向と短手方向で対向する鉛直面３２ａ間の幅は、それぞれ長方形の開口部５の長手方向と短手方向で対向する内壁面５ｂ、５ｂ間の距離よりわずかに長くなっている。枠片６の外側面には、第１実施の形態にかかる傾斜面６ａのような傾斜面は形成されていないが、蓋板３１の周縁から枠片３２を折り曲げ加工する際に枠片３２の下端部に湾曲面３２ｂが形成されるので、湾曲面３２ｂを開口部５の開口縁５ａに当接して枠片３２を開口部５へ案内する傾斜面として作用させる。これにより、蓋板３１は、湾曲面３２ｂを開口縁５ａに当接させながら、枠片３２を開口部５の内壁面５ｂに沿って圧入し、開口部５に強嵌合される。

このように構成された蓋板３１は、開口部５に強嵌合してケース本体４にがたつきなく位置決め保持された状態で、枠片３２の鉛直面３２ａと開口部５の内壁面５ｂとの境界に沿って蓋板３１の周縁全周にレーザー光を照射し、ケース本体４にレーザー溶接する。レーザー溶接する際には、レーザー光の照射方向に沿った枠片３２の鉛直面３２ａの高さ（長さ）が蓋板３１の厚さの３倍程度の長さであるので、軽量化するために薄肉とした蓋板３１であっても開口部５の内壁面５ｂとの間に充分なレーザー溶接しろが得られ、ケース本体４に強固にレーザー溶接される。

第２実施の形態では、枠片３２を上向きに形成することにより、下向きに形成する第１実施の形態の場合に比べて、蓋板３１の底面が開口部５の内方に下がり、同一のケース本体４での発電要素を収容する収容体積が減少する。しかしながら、蓋板３１の平面に形成される防爆弁３、位置決め凹部７、電極挿通部８等を、ケース本体４の開口部５の内方（開口縁５ａの下方）に形成でき、指や異物との不用意な接触を防止できる。

上述の実施の形態では、蓋板２、３１の外形と開口部５を細長長方形としたが、必ずしもこれらの形状に限らない。

また、ケース本体４や蓋板２、３１は、加工容易性や重量からアルミニウム合金板やステンレス鋼板の素材を一例として説明したが、他の材料から形成される板材であってもよい。

また、蓋板２、３１に複数のリブ９や防爆弁３を形成しているが、必ずしもこれらを形成しない蓋板であっても本発明を適用できる。

ケース本体と蓋板の周縁をレーザー溶接して、蓋板でケース本体の開口部を気密封止する密閉型電池の製造方法に適している。

１、３０密閉型電池
２蓋板
３防爆弁
３ａ薄肉部
４ケース本体
５開口部
５ｂ内壁面
６枠片
６ｂ傾斜面
９リブ
３２ｂ湾曲面（傾斜面）

Claims

発電要素を収容した金属製のケース本体と、前記ケース本体の開口部に嵌合する金属製の蓋板の周縁をレーザー溶接し、前記ケース本体の開口部を前記蓋板で気密封止する密閉型電池の製造方法であって、
薄板の金属板をプレス加工して、蓋板の周縁の全周に沿って蓋板の平面に直交する枠片を形成すると共に、前記ケース本体内の内圧が一定値に達した際に破断する薄肉部を有する防爆弁を蓋板の平面から桝形の前記枠片で囲われる空間内に突設し、
前記枠片を前記開口部の内壁面に沿って圧入し、
圧接する前記枠片と前記内壁面との境界に沿ってレーザー溶接し、
前記枠片と前記内壁面との境界を気密封止することを特徴とする密閉型電池の製造方法。
前記蓋板の周縁は、長方形であり、
薄板の金属板をプレス加工して、蓋板の平面に前記防爆弁と共に前記蓋体の長手方向と短手方向に沿った複数のリブを形成することを特徴とする請求項１に記載の密閉型電池の製造方法。
前記枠片の外側面に、前記枠片を前記内壁面に沿って圧入する際に、前記開口部の開口縁に当接して前記枠片を前記開口部の内側へ案内する傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の密閉型電池の製造方法。