JP7174331B2 - 電池用蓋体 - Google Patents

Description

本発明は、電池用蓋体に関する。

リチウムイオン二次電池等の電池は、パソコンや携帯端末等のポータブル電源、あるいはＥＶ（電気自動車）、ＨＶ（ハイブリッド自動車）、ＰＨＶ（プラグインハイブリッド自動車）等の車両駆動用電源として広く用いられている。例えば、特許文献１に開示されている密閉型電池の封口板は、弁部の周囲に突部を備える。成形時に、封口板の基材のメタルフローを金型における隙間に収容することで、突部が形成される。突部は、封口板の基材よりも厚い。特許文献１には、突部を設けることで、脆弱な弁部周辺の保護または補強を図る旨の記載がある。

特開２００６－３５１２３４号公報

上記従来の電池の封口板においては、例えば、突部を形成する際に、メタルフローを適切に制御する必要があり、加工難度が高い等の課題がある。従って、高い剛性が必要な弁部の周囲の構成を、より適切に形成できることが望ましい。

本発明の典型的な目的は、高い剛性が必要な弁部の周囲の構成を、より適切に形成することが可能な電池用蓋体を提供することである。

かかる目的を実現すべく、ここに開示される一態様の電池用蓋体は、電極体と、上記電極体を内部に収容するケース本体とを備えた電池に使用され、上記ケース本体の開口部を塞ぐ電池用蓋体であって、板状の板部本体と、上記電池の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に上記内圧を開放する弁部と、上記板部本体と上記弁部の周囲部分の間に連続して設けられ、上記蓋体が上記ケース本体に装着されたときに外側となる方向に突出している突部と、を備え、上記突部の厚みが上記板部本体の厚みと略等しいことを特徴とする。
ここで「略等しい」とは、厳密に等しいことを求めるものではなく、例えば、板部本体の厚み（平均厚み）を１００％としたときの相対値で、突部の厚み（平均厚み）が８０％以上１２０％以下（より好ましくは９０％以上１１０％以下）であることを包含する。

かかる電池用蓋体において、突部の厚みは板部本体の厚みと略等しく形成されている。そのため、蓋体の突出部を板部本体より厚くなるように加工する必要がなく、メタルフローの制御が容易である。また、突部は板状の部材を屈曲させた形状であるため、弁部の周囲の剛性は、平板状である場合に比べて高くなる。従って、高い剛性が必要な弁部の周囲の構成が、適切に形成される。

一実施形態の電池１の内部構造を模式的に示す断面図である。 一実施形態の蓋体２２の概略斜視図である。 比較例の蓋体８２の弁部８２２近傍を模式的に示す断面図である。 第１評価試験の結果を示す表である。 第２評価試験の結果を示すグラフである。

以下、本開示における典型的な実施形態の１つについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。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実施に必要な事柄は、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。なお、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（長さ、幅、厚み等）は実際の寸法関係を反映するものではない。

本明細書において、「電池」とは、電気エネルギーを取り出し可能な蓄電デバイス一般を指す用語であって、一次電池および二次電池を含む概念である。「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、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等のいわゆる蓄電池（すなわち化学電池）の他、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ（すなわち物理電池）を包含する。以下、電池の一種である扁平角形のリチウムイオン二次電池を例示して、本開示に係る電池について詳細に説明する。ただし、本開示に係る電池を、以下の実施形態に記載されたものに限定することを意図したものではない。

＜電池の全体構成＞
図１を参照して、本開示に係る電池１の全体構成を説明する。図１に例示する電池１はリチウムイオン二次電池であり、ケース２、電極体（発電要素に相当する）３、および電解液３５を備える。ケース２は、電極体３および電解液３５を内部に密閉した状態で収容する。本実施形態におけるケース２の形状は、扁平な角形である。ケース２は、一端に開口部２５を有する箱型のケース本体２１と、該ケース本体の開口部２５を塞ぐ略板状の蓋体２２を備える。ケース本体２１と蓋体２２は、溶接等（本実施形態ではレーザ溶接）によって一体とされる。ケース２の材質としては、例えば、アルミニウム等の軽量で熱伝導性の良い金属材料等を用いることができる。一例として、本実施形態における電極体３には、長尺状の正極体、負極体、およびセパレータが重ね合わされて捲回された捲回電極体が用いられている。一例として、本実施形態における電解液３５には、リチウム塩を含む非水電解液が用いられている。

蓋体２２は略板状である。詳細には、蓋体２２は略矩形板状である。蓋体２２の長手方向（図１における左右方向）の両端部には、一対の電極端子部材４（正極端子部材４Ａおよび負極端子部材４Ｂ）が設けられている。詳細には、蓋体２２の長手方向の一端部（図１における左端部）には正極端子部材４Ａが設けられており、他端部（図１における右端部）には負極端子部材４Ｂが設けられている。

正極端子部材４Ａは、正極外部端子（図示せず）、正極内部端子７Ａ、および正極集電端子８Ａを備える。正極外部端子は、ケース２の外部に配置される。正極内部端子７Ａは、ケース２の内部に配置される。また、正極内部端子７Ａは、ケース２の蓋体２２に設けられた貫通孔２２５Ａ（図２参照）を通じて正極外部端子に接続される。正極集電端子８Ａは、ケース２の内部において、電極体３の正極３Ａと正極内部端子７Ａに電気的に接続される。

負極端子部材４Ｂは、負極外部端子（図示せず）、負極内部端子７Ｂ、および負極集電端子８Ｂを備える。負極外部端子は、ケース２の外部に配置される。負極内部端子７Ｂは、ケース２の内部に配置される。また、負極内部端子７Ｂは、ケース２の蓋体２２に設けられた貫通孔２２５Ｂ（図２参照）を通じて負極外部端子に接続される。負極集電端子８Ｂは、ケース２の内部において、電極体３の負極３Ｂと負極内部端子７Ｂに電気的に接続される。正極端子部材４Ａおよび負極端子部材４Ｂを構成する各部材は、高い導電性を有する金属等によって適宜形成される。

＜蓋体＞
図１および図２を参照して、電池１における蓋体２２の構成について詳細に説明する。蓋体２２は、フラットな板部本体２２１、弁部２２２、突部２２３、注入口２２４、および、前述した貫通孔２２５Ａ，２２５Ｂ（図２参照）を備える。板部本体２２１は、蓋体２２において略板状の部分である。弁部２２２は、板部本体２２１よりも薄板状である。弁部２２２は、ケース２の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように構成されている。突部２２３は、弁部２２２の周囲部分に設けられ、板部本体２２１に連続して設けられている。つまり、突部２２３は、弁部２２２の周囲部分から板部本体２２１まで連続して設けられている。突部２２３は、蓋体２２がケース本体２１に装着されたときに外側となる方向（図１における上方向）に突出している。突部２２３の厚みは板部本体２２１の厚みと略等しい。ここで、突部２２３の厚みと板部本体２２１の厚みは「略等しい」と説明したように、両者の厚みは厳密に等しい（完全に一致する）必要はない。突部２２３の厚みと板部本体２２１の厚み差が許容差である場合、例えば、板部本体２２１の平均厚みを１００％としたときの相対値で、突部２２３の平均厚みが８０％以上１２０％以下（より好ましくは９０％以上１１０％以下、特には９５％以上１０５％以下）であるような場合は、突部２２３の厚みは板部本体２２１の厚みと等しいとみなしてよい。注入口２２４は、ケース２の内部に電解液３５を供給するために設けられている。

本実施形態では、板部本体２２１と突部２２３は一体成形されている。蓋体２２の板状の基材の厚み（図１における上下方向の幅）が略一定の状態で、蓋体２２における弁部２２２の周囲部分が隆起するように屈曲成形することで、突部２２３が成形される。蓋体２２を外側（図１における上方向から）見た場合、突部２２３は、弁部２２２の周囲で凸形状となっている。蓋体２２を内側（図１における下方向から）見た場合、突部２２３は、弁部２２２の周囲で凹形状となっている。突部２２３は、階段状になっており、段差を有する。

突部２２３は、薄板状の弁部２２２の周囲において、板部本体２２１と略等しい厚みを有する。突部２２３の形状は、板状の部材を屈曲させた形状であるため、同じ厚みの平板状の部材で弁部２２２の周囲を形成する場合に比べて、弁部２２２の周囲の剛性が高くなる。従って、ケース２の内圧が上昇した場合でも、弁部２２２の周囲（本実施形態では突部２２３）が変形し難い。よって、弁部２２２の周囲の変形によって、弁部２２２の開弁圧にばらつきが生じることが抑制される。

上述の通り、突部２２３の厚みは板部本体２２１の厚みと略等しい。そのため、突部２２３を板部本体２２１より厚くなるように加工する必要がない。従って、突部２２３の加工難度を低減することができる。例えば、突部２２３は、曲げ加工により形成することができる。従って、突部２２３の加工難度が低減され、突部２２３の加工時間を短縮できる。また、弁部２２２の周囲（本実施形態では突部２２３）を容易に加工することができるので、加工不良も生じにくい。よって、加工不良による亀裂の発生等の不具合も生じにくい。

図１に示すように、電極体３の蓋体２２側（図１の上側）の端部３０１と蓋体２２の内側（図１の下側）の面２２６との間には、スペース１０が設けられている。上述の通り、蓋体２２を内側（図１における下方向）から見た場合、突部２２３は、弁部２２２の周囲で凹形状となっている。従って、弁部２２２の周囲部分が凹形状になっていない場合に比べて、スペース１０が増加する。例えば、弁部２２２が開放された場合などに、ケース２内で、電極体３が上昇する、つまり、電極体３が蓋体２２側に移動する可能性がある。このような場合に、電極体３が移動して、板部本体２２１の内側（図１の下側）の面２２６に接しても、突部２２３の内側（図１の下側）のスペース１０は維持される。従って、電極体３が蓋体２２側に移動しても、電極体３は弁部２２２に接し難い。よって、電極体３が弁部２２２に詰まって排気不良となる可能性も低減できる。

ケース本体２１と蓋体２２は、例えば、溶接（一例として、本実施形態ではレーザ溶接）によって接合される。上述の通り、突部２２３は階段状になっており、段差を有する。従って、突部２２３に段差がない場合に比べ、ケース本体２１と蓋体２２の接合部から弁部２２２への伝熱経路が長くなる。従って、ケース本体２１と蓋体２２が溶接によって接合される場合、接合部から弁部２２２に伝わる熱を低減することができる。従って、焼鈍により開弁圧が低下する可能性を低減できる。

＜評価試験＞
次に、図３、図４、および図５を参照して、実施例および比較例を用いた評価試験の結果を説明する。実施例に係る電池用蓋体は、上記実施形態に係る蓋体２２と同様の構成を有する。詳細には、実施例に係る蓋体は、板部本体２２１と同様の構成の板部本体、弁部２２２と同様の構成の弁部、および突部２２３と同様の構成の突部を備える。

図３に示すように、比較例に係る電池用蓋体８２は、板部本体８２１と弁部８２２と突出部８２３を備える。比較例に係る蓋体８２では、突出部８２３が、実施例に係る突部と異なる。突出部８２３は、蓋体８２が電池に設けられたときに外側となる方向（図３における上方向）に突出している。しかし、蓋体８２を内側から（図３における下方向から）見た場合、突出部８２３は、略平面である。従って、突出部８２３は、蓋体８２を内側から見た場合、弁部８２２の周囲で凹形状となっていない。突出部８２３の厚みは板部本体８２１の厚みよりも厚い。

まず、図４を参照して、第１評価試験について説明する。第１評価試験では、実施例の蓋体を用いた電池１（図１参照）および比較例の蓋体８２を用いた電池１を、各々複数用意した。詳細には、実施例の蓋体について、スペース１０の上下方向における幅（上記実施形態における電極体３の端部３０１と蓋体２２（板部本体２２１）の内側の面２２６との間の距離に相当）Ｄ（図１参照）を６．０ｍｍ、４．５ｍｍ、３．０ｍｍ、１．０ｍｍとなるよう電極体３を配置した電池１を各々５つ用意した。また、比較例の蓋体８２について、スペース１０の上下方向における幅（電極体３の端部３０１と蓋体８２（板部本体８２１）の内側の面２２６との間の距離）Ｄを６．０ｍｍ、４．５ｍｍ、３．０ｍｍ、１．０ｍｍとなるよう電極体３を配置した電池１を各々５つ用意した。これらの電池１を用いて、第１評価試験として、釘刺し試験を行った。釘刺し試験とは、電池１の側面に釘を刺し、電池１を強制的に短絡させる試験である。その後、各々の電池１について、不良の有無を確認した。第１評価試験における不良とは、弁部が詰まり、弁部以外からガスが噴出する状態をいう。実施例における電池の構成と、比較例における電池の構成のうち、蓋体の構成以外は同一である。

まず、比較例の蓋体８２を用いた電池１についての第１評価試験の結果を説明する。図４に示すように、スペース１０の幅（距離）Ｄが６．０ｍｍの電池１を用いて釘刺し試験を行った場合、５つの電池１のうち、不良が観察された電池１は０個であった。スペース１０の幅（距離）Ｄが４．５ｍｍの電池１を用いて釘刺し試験を行った場合も、５つの電池１のうち、不良が観察された電池１は０個であった。しかし、スペース１０の幅（距離）Ｄが３．０ｍｍの電池１を用いて釘刺し試験を行った場合、５つの電池１のうち、１つの電池１で不良が確認された。そして、スペース１０の幅（距離）Ｄが１．０ｍｍの電池１を用いて釘刺し試験を行った場合、５つの電池１のうち、４つの電池１で不良が確認された。

次に、実施例の蓋体を用いた電池１についての第１評価試験の結果を説明する。図４に示すように、実施例の蓋体を用いた電池１では、比較例とは異なり、スペース１０の幅（距離）Ｄを６．０ｍｍ、４．５ｍｍ、３．０ｍｍ、および１．０ｍｍのいずれに調整した場合でも、５つの電池１のうち、不良が観察された電池１は０個であった。

第１評価試験の結果、スペース１０の幅（距離）Ｄが３．０ｍｍおよび１．０ｍｍの場合、つまり、スペース１０の幅（距離）Ｄが狭い場合、比較例の蓋体８２を用いた電池１については、不良が観察された。一方、スペース１０の幅（距離）Ｄが３．０ｍｍおよび１．０ｍｍの場合、つまり、スペース１０の幅（距離）Ｄが狭い場合であっても、実施例の蓋体を用いた電池１については、不良が観察されなかった。実施例では、蓋体を内側（図１における下方向から）見た場合、突部は、弁部の周囲で凹形状となっている。これにより、電極体３が板部本体の内側（図１の下側）の面に接近しても、突部の内側（図１の下側）のスペース１０は維持される。従って、弁部の内側（図１の下側）のスペース１０が維持される。これにより、釘刺し試験を行った場合に、電極体３が弁部に接触することを抑制できたと考えられる。よって、電極体３が弁部に詰まり、不良が生じることを抑制できたと考えられる。

次に、図５を参照して、第２評価試験について説明する。第２評価試験では、まず、実施例の蓋体および比較例の蓋体８２の各々について、弁部の開弁圧を測定した。また、実施例および比較例の各々について、開弁圧の測定に用いた蓋体とは別の蓋体を、ケース本体２１と溶接により接合して、試験用セルを作製した。その後、試験用セルに用いた蓋体についても、開弁圧を測定した。これにより、溶接前の（溶接を施していない）蓋体の開弁圧と、溶接後の蓋体の開弁圧とを比較し、入熱による開弁圧の低下量を確認した。

第２評価試験の結果を説明する。図５に示すように、溶接前の（溶接を施していない）比較例の蓋体８２の開弁圧は、およそ１．２５ＭＰａであった。溶接後の比較例の蓋体８２の開弁圧は、およそ１．１ＭＰａであった。一方、溶接前の（溶接を施していない）実施例の蓋体の開弁圧は、比較例の蓋体８２と同様、およそ１．２５ＭＰａであった。溶接後の実施例の蓋体の開弁圧は、およそ１．２ＭＰａであった。

第２評価試験の結果、実施例の蓋体は、比較例の蓋体８２に比べて、溶接後の開弁圧の低下量が少なかった。実施例の突部の内側（図１における下側）は、凹形状となっている。従って、実施例の突部は階段状になっており、段差がある。一方、比較例の蓋体８２の突出部８２３の内側（図１における下側）の面には段差がない。従って、比較例の蓋体８２に比べ、実施例の蓋体においては、電池１のケース本体２１と蓋体の接合部から弁部への伝熱経路が長くなる。よって、実施例の蓋体は、比較例の蓋体８２に比べて、溶接による弁部への入熱を低減することができ、開弁圧の低下を抑制することができたと考えられる。

上記実施形態で開示された技術は一例に過ぎない。従って、上記実施形態で例示された技術を変更することも可能である。上記実施形態では、突部２２３が曲げ加工により形成される例を説明した。しかし、突部２２３は、曲げ加工以外の加工方法（例えば、プレス加工等）によって形成されてもよい。上記実施形態では、ケース２は扁平な角形であり、ケース本体２１は箱型であり、蓋体２２は略矩形板状である。しかし、ケース２、ケース本体２１、および、蓋体２２は他の形状であってもよい。例えば、ケース２が扁平な略楕円柱形状であり、ケース本体２１が一端に開口部２５を有する略楕円柱形状であり、蓋体２２が略楕円形板状であてもよい。

１ 電池
３ 電極体
２１ ケース本体
２２ 蓋体
２５ 開口部
２２１ 板部本体
２２２ 弁部
２２３ 突部

Claims (2)

1. 電極体と、前記電極体を内部に収容するケース本体とを備えた電池に使用され、前記ケース本体の開口部を塞ぐ電池用蓋体であって、
   板状の板部本体と、
   前記電池の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に前記内圧を開放する弁部と、
   前記板部本体と前記弁部の周囲部分の間に連続して設けられ、前記蓋体が前記ケース本体に装着されたときに外側となる方向に突出している突部と、
   を備え、
   前記突部の厚みが前記板部本体の厚みと略等しく、前記電池を構成したときに、前記電池用蓋体の内側の面と前記電極体の端部との間の距離Ｄが１ｍｍ～３ｍｍとなるように構成されていることを特徴とする電池用蓋体。
2. 電極体と、
   前記電極体を内部に収容するケース本体と、
   請求項１に記載の電池用蓋体と、
   を備えた電池であって、
   前記電池用蓋体の内側の面と前記電極体の端部との間の距離Ｄが１ｍｍ～３ｍｍである、電池。

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