JP6802982B2

JP6802982B2 - 二次電池およびその製造方法

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Publication number: JP6802982B2
Application number: JP2017070630A
Authority: JP
Inventors: 純太高須; 雄太根本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2037-03-31
Also published as: US10707474B2; JP2018174057A; US20180287128A1; CN108695543A; CN108695543B

Description

本発明は、二次電池、およびその製造方法に関する。

リチウムイオン二次電池（リチウム二次電池）等の二次電池は、既存の電池に比べて軽量かつエネルギー密度が高いことから、近年、パソコンや携帯端末等のいわゆるポータブル電源や車両駆動用電源として用いられている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等の車両の駆動用高出力電源として今後ますます普及していくことが期待されている。

二次電池、特にリチウムイオン二次電池は、その安全性、特に過充電時の安全性が高いことが求められている。リチウムイオン二次電池は、一般的に密閉型電池であり、何らかの原因で充電時に所定以上の電流が流れて過充電状態になると、電池電圧が高くなり、電池内圧の上昇や電池温度の上昇が起こる。そのため、リチウムイオン二次電池では、過充電に対して様々な安全策が講じられており、その安全策の一例は、感圧型電流遮断機構（ＣＩＤ）である。

感圧型電流遮断機構に関し、特許文献１には、反転板をリベットに固定した後、反転板の外縁部の全周においてレーザ溶接することにより反転板をリベットに接合して感圧型電流遮断機構を製造することが開示されている。

特開２０１６−１１０７０１号公報

特許文献１に記載の技術では、反転板の外縁部に沿ってのみレーザ溶接が行なわれる。したがって、周状にレーザ溶接が行なわれるが、レーザ溶接の始点および終点は、この周の上にある。このようにレーザ溶接の始点および終点が周の上にある場合には、始点において溶け込み深さが不安定になり易く、終点において凝固割れが発生し易いため、溶接不良が生じ得る。そのため、特許文献１に記載の技術には、電流遮断機構の生産性に改善の余地があった。

そこで本発明は、溶接不良が抑制されることにより、高い生産性で製造される圧力型の電流遮断機構を備える二次電池を提供することを目的とする。

ここに開示される二次電池は、電極体と、前記電極体を収容する電池ケースと、前記電極体と電気的に接続された電極端子と、前記電極体と前記電極端子との間の導電経路に配設され、前記電池ケース内の圧力が上昇した際に前記導電経路を切断する電流遮断機構と、を備える。前記電流遮断機構は、リベットと、前記リベットに溶接されている反転板とを備える。前記電流遮断機構には、一つの連続する溶接痕が形成されている。前記一つの連続する溶接痕は、前記反転板の外縁部に沿って周状に連続する周状部を有している。前記一つの連続する溶接痕の始点および終点は、前記周状部とオフセットした位置にある。このような構成によれば、溶接痕の始点（すなわちレーザ溶接の際の始点）および溶接痕の終点（すなわちレーザ溶接の際の終点）が、反転板とリベットとの接合部である周状部から離れているため、始点における溶け込み深さの不安定さ、および終点における凝固割れの発生に起因する溶接不良を解消することができる。すなわち、このような構成によれば、溶接不良が抑制されることにより、高い生産性で製造される圧力型の電流遮断機構を備える二次電池を提供することができる。

ここに開示される二次電池の好ましい一態様においては、前記溶接痕の始点および終点が、前記リベットにある。
このような構成によれば、溶接痕が反転板の性能に悪影響を及ぼすことがない。
ここに開示される二次電池のより好ましい一態様においては、前記リベットは、電池ケースの内方を向く面であって溶接痕が形成されている面において、前記溶接痕の周状部の外側に向かって突出した領域を有し、当該領域に前記溶接痕の始点および終点がある。
このような構成によれば、溶接痕の始点および終点をリベットに設けることが容易となる。

ここに開示される二次電池の製造方法は、反転板の外縁部がリベットに接触するようにして前記反転板を前記リベットに固定すること、前記反転板の外縁部から離れた第１の位置から、前記反転板の外縁部まで溶接用レーザを走査すること、前記反転板の外縁部に沿って周状に溶接用レーザを走査すること、および前記反転板の外縁部から離れた第２の位置に溶接用レーザを走査することを含む電流遮断機構を作製する工程と、前記作製した電流遮断機構を用いて、二次電池を組み立てる工程と、を包含する。
このような構成によれば、レーザ溶接の始点において溶け込み深さが不安定であっても、またレーザ溶接の終点において凝固割れがあっても、始点および終点が反転板とリベットとの接合部である反転板の外縁部から離れているため、反転板の外縁部において安定して反転板とリベットとを溶接することができる。すなわち、このような構成によれば、溶接不良が抑制されることにより、高い生産性で製造される圧力型の電流遮断機構を備える二次電池を提供することができる。

ここに開示される二次電池の製造方法の好ましい一態様においては、前記反転板の外縁部から離れた第１の位置、および前記反転板の外縁部から離れた第２の位置が、リベット上にある。
このような構成によれば、レーザ溶接が反転板の性能に悪影響を及ぼすことがない。
ここに開示される二次電池の製造方法のより好ましい一態様においては、前記リベットは、レーザ溶接が行なわれる面において前記反転板の外縁部の外側に向かって突出した領域を有し、当該領域に前記反転板の外縁部から離れた第１の位置、および前記反転板の外縁部から離れた第２の位置がある。
このような構成によれば、前記反転板の外縁部から離れた第１の位置、および前記反転板の外縁部から離れた第２の位置を、リベット上に設定することが容易となる。

本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。図１のII−II線における電流遮断機構を拡大して示す模式断面図である。図２のIII−III線における電流遮断機構の断面図である。本発明の一実施形態に係る二次電池の製造方法におけるレーザ溶接について説明するための、電池ケース内方に相当する方向から見たリベットと反転板を模式的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、本発明を特徴付けない二次電池の一般的な構成および製造プロセス）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係（例、長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。

以下、リチウムイオン二次電池を例にして本発明の実施形態について詳細に説明するが、本実施形態に係る二次電池は、リチウムイオン二次電池に限定されるものではない。
なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、いわゆる蓄電池ならびに電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。本明細書において「リチウムイオン二次電池」とは、電荷担体としてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。

図１は本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。図２は、図１のII−II断面における電流遮断機構を拡大して示す模式断面図である。

本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１０は、図１に示すように、扁平な角型の電池ケース２０の内部に、扁平形状の電極体（図示せず）が電解液（図示せず）と共に収容されることにより構成されている。本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１０は、密閉型電池である。

ケース２０は、開口部を有するケース本体２１と、その開口部を塞ぐ蓋体２２とを備える。ケース本体２１は、上面が開口した直方体箱形状に形成されている。蓋体２２は、長方形板状体であり、電極体の正極（図示せず）と電気的に接続する正極外部端子１５と、負極（図示せず）と電気的に接続する負極外部端子１６とがその上面（ケース２０の外部）に露出するように設けられている。蓋体２２にはまた、電解液を注入する注液口１７と安全弁１８とが設けられている。ケース２０を構成する材質は、特に限定されず、アルミニウムやアルミニウム合金が好ましく用いられる。

電極体を構成する材料および部材には、特に制限はなく、従来のリチウムイオン二次電池に備えられる電極体と同様のものを用いることができる。例えば、長尺シート状の正極、長尺シート状のセパレータ、長尺シート状の負極の積層体を捲回させた捲回電極体や、シート状の正極、シート状のセパレータ、シート状の負極を積層させた積層電極体などを用いることができる。

電極体に用いられる正極は、シート状の正極集電体（例えばアルミニウム箔）の上に正極活物質層が形成された構成であり得る。この正極活物質層に含まれる正極活物質としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。正極活物質の好適例としては、層状構造やスピネル構造等のリチウム複合金属酸化物（例えば、ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＦｅＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＮｉ_０．５Ｍｎ_１．５Ｏ_４、ＬｉＦｅＰＯ_４等）等が挙げられる。

電極体に用いられる負極は、シート状の負極集電体（例えば銅箔）の上に負極活物質層が形成された構成であり得る。この負極活物質層に含まれる負極活物質についても、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。負極活物質の好適例としては、黒鉛（天然黒鉛、人造黒鉛）、低結晶性カーボン（ハードカーボン、ソフトカーボン）等の炭素材料等が挙げられる。

セパレータには、従来からリチウムイオン二次電池に用いられるセパレータと同様のものを特に限定なく使用することができる。セパレータの好適例としては、ポリオレフィン系樹脂で構成された多孔質シートが挙げられる。

電解液は、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。電解液の好適例としては、カーボネート類等の非水溶媒にリチウム塩（好ましくはＬｉＰＦ_６）等の支持塩を含有させた非水電解液などが挙げられる。なお、電解液の代わりに固体状またはゲル状の電解質を採用してもよい。

ケース２０の内部には、ケース内圧の上昇により作動する電流遮断機構３０が設けられている。電流遮断機構３０は、電極体の正極（図示せず）と、正極外部端子１５との間の導電経路に配設されている。電流遮断機構３０は、リチウムイオン二次電池１０の過充電等によりケース２０の内部でガスが発生し、ケース内圧が上昇した場合に、正極外部端子１５から正極に至る導電経路を切断することで充電電流を遮断し得るように構成されている。

電流遮断機構３０は、具体的には図２に示すように、正極と電気的に接続し、正極集電端子として機能する接続部材３２と、接続部材３２と電気的に接続する反転板３４と、反転板３４と電気的に接続し、ケース内外を連通するリベット３５と、から構成されている。接続部材３２、反転板３４およびリベット３５は、ケース内方から外方に向かって順に配置されており、いずれも金属製の導電部材である。これらの部材は、正極とケース外部に露出する正極外部端子１５とを導通する導電経路の役割を果たしており、それぞれ導電経路の一部を構成している。上記導電経路を介してリチウムイオン二次電池１０の充放電が行なわれる。上記導電部材としては、アルミニウムやアルミニウム合金が好ましく用いられる。

接続部材３２は、板形状を有する部分（板状部）を備え、この板状部には、反転板３４と接続する接続部３３が形成されている。
反転板３４は、接続部３３と接触することにより、電気的に接続されている。本実施形態では、反転板３４は円形板状体である。また、反転板３４は、その中央に位置する中央部４０が相対的にケース内方（図２の下方）に突出している。中央部４０の周辺に位置する周辺部４１は、反転板３４の外方に向かうにつれてケース外方に斜上している。そして、反転板３４は、その外縁部４２にてリベット３５に溶接されている。なお、反転板３４の外形は円形状に限定されず、矩形状等であってもよい。

リベット３５は、蓋体２２に形成された貫通孔に嵌合されている。リベット３５のケース内方側には、凹部空間が形成されている。この凹部空間の外周壁面の先端部には段差部５０が形成されている。この段差部５０に反転板３４の外縁部４２が配置されている。段差部５０は、反転板３４をその内側に収容可能な形状を有しており、具体的には、平面状の底面と壁面とから構成されている。段差部５０の深さは、反転板３４の外縁部４２の厚さと実質的に同程度である。

リベット３５は、その外周面の一部で正極外部端子１５と当接しており、これによって両者は電気的に接続されている。なお、リベット３５には、ケース内外に通じる連絡孔が形成されている。また、リベット３５は単一の部材から構成されていてもよく、複数の部材を嵌合することによって形成したものであってもよい。

反転板３４は、ケース内圧の上昇によってリベット３５側に反転可能なように（すなわち、中央部４０が接続部材３２と離れてケース外方に向かって移動できるように）構成されている。したがって、電池内圧が上昇したときには、反転板３４がリベット３５側に反転することにより、接続部３３と反転板３４との電気的接続は切断される。

次に、電流遮断機構３０の反転板３４とリベット３５との溶接状態について説明する。図３は、図２のIII−III線における電流遮断機構３０の断面に対応する図である。
図３に示すように電流遮断機構３０には、一つの連続する溶接痕６０が形成されている。一つの連続する溶接痕６０は、反転板３４の外縁部４２に沿って周状に連続する周状部６１を有する。この周状部６１により、反転板３４とリベット３５とが接合されている。
一つの連続する溶接痕６０の始点６２および終点６３は、周状部６１とオフセットした位置にある。
このような構成によれば、溶接痕６０の始点６２（すなわちレーザ溶接の際の始点）および溶接痕６０の終点６３（すなわちレーザ溶接の際の終点）が、反転板３４とリベット３５との接合部である周状部６１から離れているため、始点における溶け込み深さの不安定さ、および終点における凝固割れの発生に起因する溶接不良を解消することができる。

なお、図３では、溶接痕６０の始点６２および終点６３は隣接しているが、溶接痕６０の始点６２および終点６３の位置は、周状に連続する周状部６１を形成可能であり、かつ周状部６１からオフセットしている限りこれに限定されない。例えば、溶接痕６０の始点６２および終点６３は、同一の位置であってよい。例えば、溶接痕６０の始点６２および終点６３は離れた位置にあってよい。具体的に例えば、溶接痕６０の始点６２から周状部６１までの線分と溶接痕６０の終点６３から周状部６１までの線分がＶ字状になるようにして、溶接痕６０の始点６２および終点６３が離れた位置にあってよい。

なお、溶接痕６０は一つの連続するものであるから、溶接痕６０の深さ方向に垂直な平平面では一本の線状であり、よって二個以下の端部を有する。よって当該端部は、通常、始点６２および終点６３の少なくともいずれかになる。溶接痕６０の始点６２および終点６３は、溶接痕の深さ等の溶接痕の状態を観察することによっても判別し得る。

溶接痕６０の始点６２および終点６３は、反転板３４とリベット３５のいずれにあってもよいが、反転板３４の性能に悪影響を及ぼさないようにするために、溶接痕６０の始点６２および終点６３は、リベット３５にあることが好ましい。

電池ケース内方を向く面であって溶接痕６０が形成されている面において、リベット３５の外形の輪郭は、円形であってもよいが、本実施形態では、角が丸くなった四角形状になっている。これにより、リベット３５は、溶接痕６０の周状部６１の外側に向かって突出した領域７０を有し、当該領域７０内に溶接痕６０の始点６２および終点６３がある。このように、リベット３５に溶接痕６０の周状部６１の外側に向かって突出した領域７０を設けることにより、溶接痕６０の始点６２および終点６３をリベット３５に設けることが容易となる。本実施形態では、リベット３５の外形の輪郭は角が丸くなった四角形状になっているが、溶接痕６０の周状部６１の外側に向かって突出した領域７０を形成するには、リベット３５の外形の輪郭を非円形にすればよい。
なお、溶接痕６０の周状部６１の外側に向かって突出した領域７０では、当該領域７０のリベット３５の外形の輪郭上の点から反転板３４の中心までの距離が、他の領域と比べて大きくなる。

本実施形態では、電流遮断機構３０は、蓋体２２に固定した正極外部端子１５と正極（図示せず）との間に設けられているが、これに限定されない。電流遮断機構３０は、正極側、負極側のいずれに設けられていてもよく、それらの両方に設けられていてもよい。電流遮断機構を負極の導電経路に適用する場合の構成および方法は、正極の場合と基本的に同様であるので、ここでは説明は繰り返さない。

以上のようにして構成されるリチウムイオン二次電池１０は、各種用途に利用可能である。好適な用途としては、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等の車両に搭載される駆動用電源が挙げられる。リチウムイオン二次電池１０は、典型的には複数個を直列および／または並列に接続してなる組電池の形態でも使用され得る。

次に、本実施形態に係る二次電池の製造方法について説明する。本実施形態に係る二次電池の製造方法は、反転板の外縁部がリベットに接触するようにして反転板をリベットに固定すること、反転板の外縁部から離れた第１の位置から、反転板の外縁部まで溶接用レーザを走査すること、反転板の外縁部に沿って周状に溶接用レーザを走査すること、および反転板の外縁部から離れた第２の位置に溶接用レーザを走査することを含む電流遮断機構を作製する工程（以下、「電流遮断機構作製工程」ともいう）と、作製した電流遮断機構を用いて、二次電池を組み立てる工程（以下、「二次電池組立工程」ともいう）と、を包含する。

まず、電流遮断機構作製工程について図を用いて説明する。図４は、本発明の一実施形態に係る二次電池の製造方法におけるレーザ溶接について説明するための、電池ケース内方に相当する方向から見たリベットと反転板を模式的に示す図である。

電流遮断機構作製工程では、まず反転板の外縁部がリベットに接触するようにして反転板をリベットに固定する。例えば、図２に示すように、リベット３５の段差部５０に反転板３４の外縁部４２が配置されるように、リベット３５の凹部空間に反転板３４を収容させる。これにより、反転板３４の外縁部４２がリベット３５に接触した状態で反転板３４をリベット３５に固定することができる。固定を強固なものにするために、公知方法に従い、仮溶接等を行なってもよい。

次に、反転板の外縁部から離れた第１の位置から、反転板の外縁部まで溶接用レーザを走査する。例えば、図４に示すように、反転板３４の外縁部４２から離れた点７２から、矢印に示すように反転板３４の外縁部４２まで溶接用レーザを走査する。この点７２は、レーザ溶接の始点となる。なお、図４では、点７２から反転板３４の外縁部４２までの溶接用レーザの走査は、操作距離が最短距離になるように行なわれている。しかしながら、点７２から反転板３４の外縁部４２までの溶接用レーザの走査は、操作距離が最短距離になるように行なわなくてもよい。

次に、反転板の外縁部に沿って周状に溶接用レーザを走査する。例えば、図４に示すように、溶接用レーザが反転板３４の外縁部４２に到達した地点から、矢印に示すように反転板３４の外縁部４２に沿って周状に溶接用レーザを走査する。なお、図４では、時計回りに溶接用レーザを走査している。しかしながら、これに限られず、反時計回りに溶接用レーザを走査してもよい。ここで溶接用レーザの走査は、反転板３４の外縁部４２の全周にわたって行なわれる。

次に、反転板の外縁部から離れた第２の位置に溶接用レーザを走査する。例えば、図４に示すように、溶接用レーザを走査が、反転板３４の外縁部４２に沿って１周したところで、矢印に示すように、反転板３４の外縁部４２から離れた点７３まで走査する。この点７３は、レーザ溶接の終点となる。

なお、点７２および点７３は、反転板３４上とリベット３５上のいずれにあってもよいが、反転板３４の性能に悪影響を及ぼさないようにするために、点７２および点７３は、リベット３５上にあることが好ましい。
なお、図４では、第１の位置である点７２と第２の位置である点７３とは、別の位置に設定されているが、第１の位置と第２の位置は、反転板の外縁部から離れている限り特に制限はなく、同じ位置であってもよい。

図４では、図２と同様に、リベット３５の電池ケース内方を向くことになる面であって溶接が行なわれる面において、リベット３５の外形の輪郭が、非円形、具体的には角が丸くなった四角形状になっている。これにより、リベット３５は、反転板３４の外縁部４２の外側に向かって突出した領域７０’を有する。このようにリベット３５に反転板３４の外縁部４２の外側に向かって突出した領域７０’を設けることにより、点７２および点７３をリベット３５に設定することが容易となる。

このようなレーザ溶接を行ない、その他については公知方法に従い、電流遮断機構を作製することができる。このような方法によれば、電流遮断機構の溶接不良を抑制することができる。すなわち、始点（点７２）において溶け込み深さが不安定であっても、また終点（点７３）において凝固割れがあっても始点（点７２）および終点（点７３）が反転板３４とリベット３５との接合部である反転板３４の外縁部４２から離れているため、反転板３４の外縁部４２において安定して反転板３４とリベット３５とを溶接することができる。

次に、二次電池組立工程について説明する。二次電池組立工程では、作製した電流遮断機構を用いて、二次電池を組み立てる。当該工程は、公知方法に従って行なうことができる。
以上のようにして、二次電池を作製することができる。本実施形態に係る二次電池の製造方法では、電流遮断機構作製の際に溶接不良が抑制されているため、二次電池全体で見た場合、その歩留まりを向上することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

１０リチウムイオン二次電池
１５正極外部端子
１６負極外部端子
２０電池ケースが
３０電流遮断機構
３２接続部材
３４反転板
３５リベット
６０溶接痕
６１周状部
６２始点
６３終点

Claims

電極体と、
前記電極体を収容する電池ケースと、
前記電極体と電気的に接続された電極端子と、
前記電極体と前記電極端子との間の導電経路に配設され、前記電池ケース内の圧力が上昇した際に前記導電経路を切断する電流遮断機構と、
を備える二次電池であって、
前記電流遮断機構は、リベットと、前記リベットに溶接されている反転板とを備え、
前記電流遮断機構には、一つの連続する溶接痕が形成されており、
前記一つの連続する溶接痕は、前記反転板の外縁部に沿って周状に連続する周状部を有し、かつ前記一つの連続する溶接痕の始点および終点が、前記周状部とオフセットした位置にあり、
前記溶接痕の始点および終点が、前記リベットにあり、
前記リベットは、電池ケースの内方を向く面であって溶接痕が形成されている面において、前記溶接痕の周状部の外側に向かって突出した領域を有し、当該領域に前記溶接痕の始点および終点がある、
二次電池。
反転板の外縁部がリベットに接触するようにして前記反転板を前記リベットに固定すること、
前記反転板の外縁部から離れた第１の位置から、前記反転板の外縁部まで溶接用レーザを走査すること、
前記反転板の外縁部に沿って周状に溶接用レーザを走査すること、および
前記反転板の外縁部から離れた第２の位置に溶接用レーザを走査すること
を含む電流遮断機構を作製する工程と、
前記作製した電流遮断機構を用いて、二次電池を組み立てる工程と、
を包含し、
前記反転板の外縁部から離れた第１の位置が、レーザ溶接の始点となり、かつ前記反転板の外縁部から離れた第２の位置が、レーザ溶接の終点となり、
前記反転板の外縁部から離れた第１の位置、および前記反転板の外縁部から離れた第２の位置が、リベット上にあり、
前記リベットは、レーザ溶接が行なわれる面において前記反転板の外縁部の外側に向かって突出した領域を有し、当該領域に前記反転板の外縁部から離れた第１の位置、および前記反転板の外縁部から離れた第２の位置がある、
二次電池の製造方法。